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Hintergrund
der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf supraleitende Magnetspulen.
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Wie auf diesem Fachgebiet bekannt
ist die bemerkenswerteste Eigenschaft eines Supraleiters, dass sein
elektrischer Widerstand verschwindet, wenn er unter eine kritische
Temperatur Tc herabgekühlt wird.
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Unterhalb von Tc und
einem kritischen Magnetfeld kann ein Supraleiter eine elektrische
Stromdichte von bis zu einer kritischen Stromdichte (Jc)
des Supraleiters führen.
Die kritische Stromdichte ist die Stromdichte, bei der das Material
seine supraleitenden Eigenschaften verliert und wieder seine normale Leitfähigkeit
annimmt.
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Supraleiter können zur Herstellung von supraleitenden
Magnetspulen wie z. B. Solenoiden, Laufbahnmagneten, mehrpoligen
Magneten, u. s. w. verwendet werden, bei denen der Supraleiter in
die Form einer Spule gewickelt ist. Ist die Temperatur der Spule
gering genug, so dass der HTS-Leiter in einem supraleitenden Zustand
existieren kann, sind die Strombelastbarkeit sowie die Stärke des
von der Spule erzeugten Magnetfelds wesentlich erhöht.
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Typische supraleitende Materialien
umfassen Niobtitan, Niobzinn, und auch Kupferoxidkeramiken wie z.
B. Mitglieder der Familie der Seltenerd-Kupferoxide (d. h. YBCO),
der Familie der Thallium-Barium-Kalzium-Kupfer-Oxide (d. h. TBCCO),
der Familie der Quecksilber-Barium-Kalzium-Kupfer-Oxide
(d. h. HgBCCO) und der Familie der Wismut-Strontium-Kalzium-Kupfer-Oxide
(d. h. BSCCO). Bestimmte BSCCO-Komponenten, die optional Blei enthalten
(d. h., (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox oder Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (BSCCO 2223))
und Y1Ba2Cu3O4 (YBCO 123) zeigen
besonders gute Leistungen, da bei ihnen die Merkmale der Supraleitfähigkeit
und der entsprechenden hohen Stromdichte bei relativ hohen Temperaturen
(Tc = 115 K bzw. 95 K) auftreten.
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Bezugnehmend auf 1 kann bei der Herstellung solcher supraleitenden
Magnetspulen der Supraleiter in Form eines dünnen Bandes 5 gestaltet sein,
wodurch der Leiter um den Durchmesser eines Kerns gewickelt sein
kann. Bei manchen Ausführungsformen
ist das dünne
Band in Form eines aus mehreren Fäden bestehenden zusammengesetzten Supraleiters
gestaltet, der einzelne supraleitende Fäden 7 umfasst, die
sich im Wesentlichen entlang der Länge des aus mehreren Fäden bestehenden
zusammengesetzten Leiters erstrecken, und die von einem matrixbildenden
Material 8 umgeben sind oder getragen werden, das typischerweise
Silber oder ein anderes Edelmetall ist. Zwar leitet das matrixbildende
Material elektrischen Strom, es ist jedoch nicht supraleitend. Die
supraleitenden Fäden
und das matrixbildende Material bilden zusammen den aus mehreren
Fäden bestehenden
zusammengesetzten Leiter. Bei manchen Anwendungen sind die supraleitenden Fäden und
das matrixbildende Material in einer Isolierschicht (nicht gezeigt)
eingeschlossen. Das Verhältnis
von supraleitendem Material zu matrixbildendem Material ist als
der "Füllfaktor" bekannt und beträgt insgesamt
weniger als 50%. Das Band kann auch andere bekannte Formen einnehmen,
darunter die "Pulver-in-Röhren" (PIT) – Formen
oder die beschichteter Bänder,
in denen der Supraleiter auf der Oberfläche eines bandförmigen Substrats
aufgetragen ist.
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Eine Magnetspule kann mit supraleitendem Band
gewickelt sein, wobei insgesamt einer von zwei Ansätzen verwendet
wird. Beim ersten Ansatz, der als Schichtenwicklung bekannt ist,
ist der Supraleiter um einen Kern gewickelt, wobei die Windungen
eine neben die andere gewickelt werden, bis eine erste Schicht gebildet
ist. Nachfolgende Schichten werden dann auf vorherige Schichten
gewickelt, bis die gewünschte
Anzahl von Schichten auf den Kern gewickelt ist.
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Bei einem anderen Ansatz, der als
Flachspulenwicklung bekannt ist, wird jeweils eine Windung des Supraleiter-Bandes
auf eine vorherige Windung gewickelt, wobei eine Ebene von Windungen
gebildet wird, die senkrecht zur Spulenachse angeordnet ist. Bei
Anwendungen, in denen eine Reihe von Flachspulen eine Spule bilden
sollen, können
die Flachspulen als Doppel-Flachspulen gewickelt sein.
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Bei manchen Anwendungen kann eine
supraleitende Magnetspulenanordnung unter Verwendung von Flachspulen
(entweder Einzel- oder Doppel-Flachspulen) verschiedene Spulen umfassen,
die koaxial entlang der Länge
der Spulenanordnung angeordnet sind. Die einzelnen Spulen sind unter
Verwendung kurzer Längen
von supraleitendem Draht oder aus dem supra leitendem Material der
oben beschriebenen Art, z. B. Kupferoxidkeramik, gebildeter Bänder miteinander
verbunden.
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In der US-A-4499443 sind supraleitende Starkfeld-Doppelflachspulen
aus bei niederer Temperatur supraleitendem Material, z. B. NB3Sn, offenbart, wobei hier beschrieben ist,
wie die Magnete mit überkritischem
Helium auf 4,2 K gekühlt
werden.
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In der JP-A-61-0842404 ist ein supraleitender
Magnet aus Doppel-Flachspulen offenbart, die im Zentrum einer Magnetspule
ein homogenes Magnetfeld haben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung einer supraleitenden Magnetspulenanordnung,
die umfasst: mindestens mehrere Doppel-Flachspulen, die entlang
einer Längsachse
der Spulenanordnung koaxial angeordnet sind, wobei jede Doppel-Flachspule
ein Paar Einzel-Flachspulen umfasst, wobei jede Einzel-Flachspule
einen anisotropen Hochtemperatursupraleiter beinhaltet, der um eine
Längsachse
der Spulenanordnung gewickelt ist und eine Öffnung der supraleitenden Magnetspulenanordnung
definiert, wobei jede Doppel-Flachspule mit einer benachbarten Flachspule
elektrisch verbunden ist, und wobei der radiale Querschnitt der
Spulenanordnung aus elektrisch miteinander verbundenen Flachspulen
in Bezug zur Längsachse
variiert, wobei die Längsachse
das Zentrum der Öffnung
bildet.
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Die Schnittstellen zwischen den einzelnen Flachspulen
der Doppel-Flachspulen liegen vorzugsweise insgesamt entlang des
Innendurchmessers der Spulenanordnung und sind durch spezielle Wickel-
und Konstruktionstechniken aus der gleichen Endloslänge supraleitenden
Drahts gebildet. Die elektrischen Verbindungen zwischen Doppel-Flachspulen,
genannt „Brücken", können durch Verwendung
relativ gerader oder „nicht
gekrümmter" Segmente eines leitenden
bandförmigen
Materials zwischen den einzelnen Flachspulen benachbarter Paare
von Doppel-Flachspulen mit im wesentlichen gleicher Außenabmessung
gebildet werden. Das die Flachspulen überbrückende leitende Material kann entweder
ein kompaktes Stück
aus durchgehend supraleitendem Material sein, oder vorzugsweise
ein Stück
aus zusammengesetztem supraleitendem Draht, der die Flachspulen
durch seinen Metallmantel kontaktiert, oder ein geätztes Stück supraleitenden
Drahts, das eine geätzte äußere, Schicht
der Flachspule kontaktiert, um eine durchgehend supraleitende Verbindung
herzustellen. Der Kontakt zwi schen den Flachspulen kann auch durch
andere Verfahren hergestellt werden, beispielsweise aber nicht ausschließlich – durch
Löten,
Druckkontakt, und Hochtemperaturreaktionen. Zwar können die
Segmente aus supraleitendem Draht eine leichte Krümmung haben,
um der Außenkontur
der Flachspule in der Richtung senkrecht zu ihrer Längsachse
zu folgen, die Segmente sind aber entlang der Längsachse der Spule im wesentlichen
nicht gekrümmt
(z. B. weniger gekrümmt
als die Dicke eines zusammengesetzten Drahtes), wenn sie die einzelnen
Spulen benachbarter Doppel-Flachspulen überspannen. Die supraleitende
Magnetspulenanordnung kann also entlang ihrer Länge eine nicht einheitliche
Innen- und/oder Außenabmessung
haben, um eine Feldausrichtung oder Feldkonzentration zu ermöglichen und
gleichzeitig die Verwendung von im wesentlichen nicht gekrümmten Stücken von
zusammengesetztem supraleitendem Draht zu gestatten, die zwischen
den Doppel-Flachspulen der Anordnung eine verlustarme elektrische
Verbindung herstellen.
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Die Herstellung der elektrischen
Verbindung durch ein relativ nicht gekrümmtes Stück supraleitenden Drahtes erhöht sowohl
die elektrische als auch die mechanische Zuverlässigkeit der Verbindungen. Dies
beruht zum größten Teil
auf den mechanischen Eigenschaften der Materialien, die so gewählt werden,
dass sie die gewünschten
supraleitenden Eigenschaften liefern. Solche Materialien, wie z.
B. die des Kupferoxidkeramik-Typs, sind insgesamt intolerant gegenüber der
Anwendung von großen
Spannungskräften
(wie z. B. die während
eines Biegeprozesses erzeugten) und können leicht Risse bekommen
oder zerbrechen, wenn sie exzessiv gekrümmt werden. Solche Materialien
sind oft durch ihre Werte für
Biegedehnung und kritische Dehnung gekennzeichnet. Die Biegedehnung
ist gleich der Hälfte
der Dicke des Leiters dividiert durch den Biegungsradius, während die
kritische Dehnung eines Leiters definiert ist als das Ausmaß der Dehnung,
die das Material aushalten kann, bevor eine dramatische Verringerung
der elektrischen Leistung eintritt. Der Wert der kritischen Dehnung
ist in hohem Maße
von dem Bildungsprozess abhängig,
der für
die Herstellung des Leiters genutzt wird, und liegt je nach Prozess üblicherweise
zwischen 0,05% und 1,0%. Eine zunehmende Biegedehnung ist von einem
zunehmenden Widerstand und einer zunehmenden Spannung über die
Verbindung begleitet. Übersteigt
die Biegedehnung eines Leiters die kritische Dehnung eines Leiters,
dann steigt der Widerstand so weit an, dass das Stromführungsvermögen des
Leiters, und damit das maximale von einer Spule erzeugte Magnetfeld,
signifikant abnimmt.
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Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung können
eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
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Bei manchen Anwendungen variiert
die Außenabmessung
der Spulenanordnung entlang der Längsachse der supraleitenden
Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden
Magnetspule. Beispielsweise kann die Außenabmessung benachbarter Doppel-Flachspulen entlang
der Längsachse
der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen
der supraleitenden Magnetspule monoton nicht ansteigend sein (d.
h. sie ist konstant oder nimmt ab). Auf die gleiche Weise kann die
Außenabmessung benachbarter
Doppel-Flachspulen entlang der Längsachse
der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen
der supraleitenden Magnetspule monoton nicht abnehmend sein (d.
h. sie ist konstant oder nimmt zu). Eine erste des Paares einzelner
Flachspulen von mindestens einer der Doppel-Flachspulen kann eine
andere Außenabmessung
haben als die andere einzelne Flachspule des Paares. Bei manchen
Ausführungsformen
kann eine oder können
mehrere der Doppel-Flachspulen ein Paar einzelner Flachspulen haben,
deren Außenabmessungen
im wesentlichen gleich sind, sich jedoch von den Außenabmessungen von
Flachspulen einer anderen Doppel-Flachspule der Spulenanordnung
unterscheiden.
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Auf die gleiche Weise kann die Innenabmessung
der Spulenanordnung entlang der Längsachse der supraleitenden
Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden
Magnetspule verändert
werden. Zum Beispiel kann die Innenabmessung benachbarter Doppel-Flachspulen entlang
der Längsachse
der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen
der supraleitenden Magnetspule monoton nicht ansteigend sein (d.
h. sie ist konstant oder nimmt ab). Genauso kann die Innenabmessung
benachbarter Doppel-Flachspulen entlang der Längsachse der supraleitenden
Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden
Magnetspule monoton nicht abnehmend sein (d. h. sie ist konstant
oder nimmt zu). Eine erste des Paares einzelner Flachspulen von
mindestens einer der Doppel-Flachspulen kann eine andere Innenabmessung haben
als die andere einzelne Flachspule des Paares. Ein Abschnitt des
supraleitenden Drahtes, der das Paar von einzelnen Flachspulen verbindet,
kann an der Flachspule mit der kleineren Innenabmessung an einer
Seitenfläche,
die der anderen des Paares von einzelnen Flachspulen benachbart
ist, starr befestigt sein, um den Abschnitt, der die einzelnen Flachspulen überbrückt, mechanisch
zu stützen.
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Bei anderen Ausführungsformen kann eine oder
können
mehrere der Doppel-Flachspulen ein Paar einzelner Flachspulen haben,
deren Innenabmessungen im wesentlichen gleich sind, sich jedoch von
den Innenabmessungen von Flachspulen einer anderen Doppel-Flachspule
der Spulenanordnung unterscheiden. In einem Beispiel kann eine Spulenanordnung
Doppel-Flachspulen
umfassen, die aus einzelnen Flachspulen gebildet sind, wobei jede
Doppel-Flachspule
so gewickelt ist, dass sie den gleichen Innendurchmesser hat. Die
Doppel-Flachspulen
haben jedoch alle unterschiedliche Innendurchmesser und sind koaxial
entlang einer Längsachse
angeordnet, um eine Spulenanordnung mit variablem Innendurchmesser
zu bilden.
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Bei einer supraleitenden Magnetspulenanordnung
mit variabler Innenabmessung kann auch die Außenabmessung entlang der Längsachse
der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen
der supraleitenden Magnetspule variieren. Zum Beispiel kann bei
solchen Ausführungsformen
die Außenabmessung
von benachbarten Doppel-Flachspulen
entlang der Längsachse
der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen
der supraleitenden Magnetspule monoton abnehmen oder zunehmen. Eine
aus dem Paar von einzelnen Flachspulen von mindestens einer der
Doppel-Flachspulen
kann eine andere Außenabmessung
haben als die andere einzelne Flachspule des Paares.
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Die Doppel-Flachspulen können kreisförmig sein
und zwischen einzelnen Flachspulen benachbarter Doppel-Flachspulen
mit im wesentlichen gleichen Außendurchmessern
elektrische Verbindungen aufweisen. Alternativ können die Doppel-Flachspulen
laufbahnförmig
oder sattelförmig
sein (d. h. die äußersten
Radialbereiche sind abfallend). Der Supraleiter ist ein anisotroper
Hochtemperatursupraleiter, z. B. ein Mitglied der Wismut- (z. B. Bi2Sr2Ca2Cu3Ox oder Bi2Sr2Ca1Cu2Ox (BSCCO 2223 oder
BSCCO 2212)) oder der Yttrium-Familie von Oxid-Supraleitern. Der Supraleiter kann als
Supraleiter-Band ausgebildet sein, wobei ein aus einem Faden bestehender
oder aus mehreren Fäden
bestehender zusammengesetzter Supraleiter verwendet wird. Ein aus
mehreren Fäden
bestehender zusammengesetzter Supraleiter umfasst insgesamt einzelne
supraleitende Fäden,
die sich entlang der Länge des
aus mehreren Fäden
bestehenden zusammengesetzten Leiters erstrecken und von einem matrixbildenden
Material umgeben sind. Der aus mehreren Fäden bestehende zusammengesetzte
Supraleiter kann bei verschiedenen Anwendungen verdreht sein. Es
können
elektrisch leitfähige
Brückensegmente, die
z. B. als Supraleiter-Band ausgebildet sind, das zusammengesetztes
supraleitendes Materi al umfasst, verwendet werden, um die elektrischen
Verbindungen zwischen einzelnen Flachspulen benachbarter Doppel-Flachspulen
herzustellen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zur Bildung einer supraleitenden Magnetspulenanordnung
mit einem radialen Querschnitt, der entlang einer Längsachse
der Spulenanordnung variiert, das die folgenden Schritte umfasst:
- a) Bilden von Doppel-Flachspulen, von denen jede
ein Paar Flachspulen umfasst, die aus einer Endloslänge eines
anisotropen Hochtemperatursupraleiters um die Längsachse der Spulenanordnung
gewickelt sind, wobei jede Einzel-Flachspule einen Außenrand
und einen Innenrand hat, die beide parallel zur Längsachse
verlaufen, und wobei mindestens eine der aus einem Flachspulenpaar
bestehenden Doppel-Flachspulen einen unterschiedlichen Abstand zwischen
einem Innenrand der Einzel-Flachspulen und der Längsachse hat;
- b) koaxiales Anordnen der Doppel-Flachspulen entlang der Längsachse,
so dass mindestens eine Flachspule jeder Doppel-Flachspule einen
Abstand zwischen einem Außenrand
der Einzel-Flachspule und der Längsachse
hat, der einem Abstand zwischen einem Außenrand der Einzel-Flachspule
und der Längsachse
einer benachbarten Flachspule einer benachbarten Doppel-Flachspule
im wesentlichen gleich ist; und
- c) elektrisches Verbinden der mindestens einen Flachspule jeder
Doppel-Flachspule mit der Flachspule der benachbarten Doppel-Flachspule, deren
Abstand zwischen einem Außenrand
der Einzel-Flachspule und der Längsachse
im wesentlichen gleich ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen
ist ein Abschnitt des supraleitenden Drahts, der das Flachspulenpaar
verbindet, an der Flachspule mit der kleineren Innenabmessung starr
befestigt, und zwar an einer der anderen aus dem Paar von einzelnen Flachspulen
benachbarten Seitenfläche.
Die Doppel-Flachspule kann auch mit einer Überbrückungslänge supraleitenden Materials
verbunden sein.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine supraleitende Doppel-Flachspule eine erste Flachspule mit
einer ersten Innenabmessung und einen Supraleiter, der um eine Längsachse
der Spule gewickelt ist, eine zweite Flachspule mit einer zweiten
Innenabmessung, die sich von der ersten Abmessung unterscheidet,
und einen um die Längsachse
der Spule gewickelten Supraleiter, wobei die erste und, die zweite
Flachspule aus einer Endloslänge
supraleitenden Materials gewickelt sind.
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Doppel-Flachspulen mit variierenden
Innen- und Außendurchmessern
können
so kombiniert werden, dass sie innerhalb eines festen Volumens eine gewünschte Feldverteilung
aufweisen, z. B. um sich einer erzwungenen Form oder einer bestimmten
Erfordernis bezüglich
des Volumens des Supraleiters anzupassen. Durch dieses Verfahren
kann ein Magnetfeld maximiert werden, während die Menge an Supraleiter
in seinen Randbereichen reduziert wird. Die Gesamtmenge an Supraleiter,
die insgesamt benötigt wird,
um das Magnetfeldniveau im zentralen Bereich herzustellen, kann
somit reduziert werden. Andererseits können Innen- und/oder Außenabmessungen so
gewählt
werden, dass entlang seiner axialen Länge ein im wesentlichen einheitliches
oder speziell ausgebildetes Magnetfeld entsteht.
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Weitere Vorteile und Merkmale gehen
aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen hervor.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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1 ist
eine Querschnittansicht eines aus mehreren Fäden bestehenden zusammengesetzten Leiters.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer aus mehreren übereinandergestapelten Schichten bestehenden
supraleitenden Spule mit Doppel-Flachspulen.
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3 ist
eine Querschnittansicht von 2 entlang
der Linie 3-3 aus 2.
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4 veranschaulicht
eine Spulenwicklungsvorrichtung.
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5 ist
eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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6 ist
eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der der Innendurchmesser der Spulenanordnung variiert.
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7 ist
eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der der Innendurchmesser der Spulenanordnung variiert.
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8 ist
eine Seitenansicht einer Doppel-Flachspule entlang der Linie 8-8
aus 7.
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9 ist
eine Querschnittansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der der Innendurchmesser der Spulenanordnung
variiert.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungform
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In den 2–3 ist eine mechanisch stabile Hochleistungssupraleiterspulenanordnung 10 gezeigt,
in der mehrere Doppel-Flachspulen 12–17 kombiniert sind;
in dieser Darstellung sind es sechs separate Doppel-Flachspulen-Abschnitte,
von denen jeder gleichgewickelte zusammengesetzte Leiter umfasst.
Jede Doppel-Flachspule hat gleichgewickelte Leiter, die parallel
gewickelt sind, und die dann koaxial aufeinandergestapelt werden.
Der hier gezeigte Leiter ist ein supraleitendes Hochtemperaturkupferoxidkeramik-Material
wie z. B. Bi2Sr2Ca2Cu3Ox,
allgemein als BSCCO 2223 bezeichnet. Jede Doppel-Flachspule 12–17 umfasst
eine Flachspule 12a–17a,
deren Durchmesser kleiner ist als der der ihr zugeordneten Flachspule 12b–17b der
Doppel-Flachspule, wobei die beiden Spulen eines Paares aus der
gleichen Endloslänge
supraleitenden Bandes gewickelt sind, und zwar auf die Weise, wie es
unter Bezugnahme auf 4 nachfolgend
beschrieben ist. Die Doppel-Flachspulen 12–17 sind
in den 2 und 3 als kreisförmig dargestellt,
jedoch kann bei anderen Anwendungen jede Doppel-Flachspule andere
Formen einnehmen, die für die
Herstellung von Magnetspulen allgemein üblich sind, darunter auch laufbahnförmige und
sattelförmige
Spulen.
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Ein inneres Trägerrohr 18 trägt die Spulen 12–17,
wobei ein erstes Stirnelement 19 an der Spitze des inneren
Trägerrohrs 18 befestigt
und ein zweites Stirnelement 20 am entgegengesetzten Ende
des inneren Trägerrohrs
festgeschraubt ist, damit die Doppel-Flachspulen zusammengepresst
werden. Das innere Trägerrohr 18 und
die Stirnelemente 19, 20 sind aus einem nicht-magnetischen
Material wie Aluminium oder Kunststoff (z. B. G-10) gefertigt. Bei manchen
Anwendungen können
das innere Trägerrohr 18 und
die Stirnelemente 19, 20 entfernt werden, um eine
freistehende Spulenanordnung zu bilden. Die Stromflussrichtung wird,
wie in 3 dargestellt, als
gegen den Uhrzeigersinn verlaufend angenommen, wobei der magnetische
Feldvektor 26 entlang der Achse (2) insgesamt senkrecht zum Stirnelement 19 (in
Richtung der Längsachse 29),
das die Spitze der Spulenanordnung 10 bildet, verläuft.
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Kurze Brückensegmente 22 aus
supraleitendem Material werden verwendet, um die einzelnen Doppel-Flachspulen 12–17 in
Reihenschaltung elektrisch miteinander zu verbinden und sind aus
dem gleichen Bi2Sr2Ca2Cu3Ox-Material
gefertigt, das auch zum Wickeln der Spulen selbst verwendet wird.
Alternativ kann ein schwereres Brückenmaterial verwendet werden.
Außerdem
verbinden die Segmente 22 auch benachbarte Doppel-Flachspulen
entlang Schnittstellen, an denen die Außendurchmesser den einzelnen
Flachspulen im wesentlichen gleich sind. Es ist beispielsweise ein
Segment 22 gezeigt, das die Flachspulen 12b und 13a der
DoppelFlachspulen 12 bzw. 13 überbrückt. Kurze Brückensegmente 22 sind nur
entlang der Außendurchmesser
der Spulenanordnung erforderlich, weil die Schnittstellen zwischen Flachspulen
mit verschiedenen Durchmessern entlang des Innendurchmessers der
Spulenanordnung 10 liegen, wo durch die im weiteren Text
unter Bezugnahme auf 4 beschriebene
Doppelflachspulen-Wicklungstechnik bedingt keine Verbindung existiert.
Wenn benachbarte Flachspulen einen im wesentlichen gleichen Außendurchmesser
haben, müssen
die Supraleiter-Brückensegmente
nicht gekrümmt
oder anderweitig gespannt sein, wodurch die oben beschriebenen unerwünschten
Effekte vermieden werden. Eine Länge
supraleitenden Materials (nicht gezeigt) verbindet auch ein Ende
der Spulenanordnung 10 mit einer der Anschlussklemmen 24,
die sich am Stirnelement 18 befinden, um der Spulenanordnung 10 Strom
zuzuführen.
Die Brückensegmente
können
aus Metall, einem zusammengesetzten Supraleiter oder einem reinen
Supraleiter gefertigt sein.
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Die Verteilung von Supraleiter entlang
der axialen Länge
der Spulenanordnung 10 ist nicht gleichmäßig, sondern
beinhaltet eine größere Menge von
Supraleiter in zentralen Bereichen der Anordnung als in Randbereichen.
Diese Konfiguration von Doppel-Flachspulen 12–17 ist
für Anwendungen
gut geeignet, bei denen eine Zunahme des Magnetfelds in einem zentralen
Bereich 23 der Spulenanordnung 10 erwünscht und
das Magnetfeldniveau in äußeren Randbereichen 25 der
Spule weniger bedeutend ist. Zwar könnte das Magnetfeldniveau durch
Verwendung einer supraleitenden Magnetspule hergestellt werden,
deren Außendurchmesser
gleichmäßig und dem
der Flachspule der Spulenanordnung 10 mit dem größten Durchmesser,
z. B. Flachspulen 14b und 15a, gleich ist; dieses
Magnetfeld würde
jedoch unter Verwendung einer größeren Menge
von Supraleiter erzielt werden, die dann gekühlt werden muss, daher ist
diese Lösung
weniger energieeffizient.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sind sieben Doppel-Flachspulen entlang einer Längsachse koaxial ausgerichtet
und bilden eine supraleitende Magnetspulenanordnung mit einer Höhe von 7,0
cm (2,75 Zoll). Die sieben Doppel-Flachspulen sind mit BSCCO 2223/Silber
supraleitendem zusammengesetztem Band gewickelt und haben alle einen
Innendurchmesser von 2,86 cm (1,125 Zoll), der die Innenöffnung der
Spulenanordnung definiert. Drei der sieben Doppel-Flachspulen gehören dem
herkömmlichen
Typ an (d. h. Einzel-Flachspulen mit gleichem Außendurchmesser) und haben einen
Außendurchmesser
von ca. 15,2 cm (6,0 Zoll). Zwei der anderen sieben Doppel-Flachspulen
gehören
ebenfalls dem herkömmlichen
Typ an und haben einen Außendurchmesser (outer
Diameter, O.D.) von ca. 2,7 cm (5,0 Zoll). Diese beiden Doppel-Flachspulen
sind an jedem Ende der Spulenanordnung angeordnet. Zwischen den
an den Enden angeordneten Doppel-Flachspulen mit dem kleineren (12,7
cm bzw. 5,0 Zoll) Außendurchmesser
und den im Zentrum angeordneten Doppel-Flachspulen mit dem Außendurchmesser
von 15,2 cm (6,0 Zoll) sind zwei Doppel-Flachspulen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
gefertigt sind. Jede dieser beiden Doppel-Flachspulen fungiert als Überschaltdrossel
und umfasst eine einzelne Flachspule mit einem Außendurchmesser
von 12,7 cm (5,0 Zoll) und eine einzelne Flachspule mit einem Außendurchmesser
von 15,2 cm (6,0 Zoll). Elektrische Verbindungen zwischen den Doppel-Flachspulen werden
durch kurze Längen
des gleichen zusammengesetzten Supraleiter-Bandes hergestellt, das auch
zum Wickeln der Doppel-Flachspulen verwendet wird. Diese supraleitende
Magnetspulenanordnung hat ein zentrales axiales Magnetfeld von 2,1 Tesla,
wenn sie durch einen mechanischen Tieftemperaturkühler bei
27°K gehalten
wird.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Vorgehensweise zum Formen
jeder der Doppel-Flachspulen 12–17 beschrieben.
Diese Vorgehensweise ist in WO-A-95/20826 von M. D. Manlief, G.
N. Riley, Jr., J. Voccio und A. J. Rodenbush mit dem Titel "Superconducting Composite Wind-and-React
Coils and Methods of Manfuacture" beschrieben,
die ebenfalls an den Inhaber der Rechte an der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde. Bei der in 4 dargestellten
Vorgehensweise wird zunächst
ein Dorn 30 auf einer Wickelwelle 32 angebracht,
wobei letztere im Spannfutter 31 der Drehmaschine befestigt
ist. Eine Aufnahmespule 36 ist an der Wickelwelle 32 angebracht,
und ein erster Teil der Gesamtlänge
des Bandes 33, das zuerst um eine Spule 34 gewickelt
und für
das Wickeln einer der Flachspulen (insgesamt der Flachspule mit
dem größeren Durchmesser)
benötigt
wird, wird auf die Aufnahmespule 36 gewickelt, wodurch
die Länge
des Bandes 33 zwischen den beiden Spulen aufgeteilt wird.
Die am Arm 35 angebrachte Spule 34 enthält den ersten
Teil der Länge
des Bandes 33, und die Aufnahmespule 36, die den
zweiten Teil des Bandes 33 enthält, ist so befestigt, dass
sie sich im Bezug zum Dorn 30 nicht dreht. Das um die Isolierspule 38 gewickelte
Tuch 37 wird dann am Arm 35 angebracht. Der Dorn
wird dann in Drehung versetzt, und das Tuch 37 wird ebenfalls
auf den Dorn 30 gewickelt, so dass der erste Teil des Bandes 33 eine
Einzel-Flachspule
formt. Um die erste Flachspule wird ein thermoelektrischer Draht
gewickelt, um sie am Dorn zu befestigen. Die Wickelwelle 32 wird
dann vom Spannfutter 31 entfernt, und die Aufnahmespule 36,
die den zweiten Teil der Länge
des Bandes 33, enthält,
wird am Arm 35 angebracht. Dann wird eine Schicht Isoliermaterial
an der ersten Flachspule angebracht, und die zweite Hälfte des
Bandes 33 und das Tuch 37 werden dann ebenfalls
um den Dorn 30 gewickelt, wobei die oben beschriebene Vorgehensweise
zur Anwendung kommt. Dadurch entsteht eine zweite Flachspule, die
der zuerst gebildeten Flachspule benachbart ist, wobei die beiden
Spulen durch eine Schicht Isoliermaterial voneinander getrennt sind.
Um die zweite Flachspule wird dann thermoelektrischer Draht gewickelt,
um bei der abschließenden
Wärmebehandlung
die Spulenstruktur zu stützen.
Spannungsabgriffe und thermoelektrischer Draht können an verschiedenen Punkten
auf dem Band 33 der Doppel-Flachspule angebracht werden, um
Temperatur und elektrisches Verhalten der Spule zu überwachen.
Zusätzlich
können
alle Spulen nach der Wärmebehandlung
mit Epoxidharz imprägniert werden,
um die Isoliereigenschaften zu verbessern und die verschiedenen
Schichten fest in ihrer Position zu halten. Die Doppel-Flachspule
gestattet es, dass während
des abschließenden
Wärmebehandlungs-Schrittes
ein Ende der gesamten Länge
des Bandes der oxidierenden Umgebung direkt ausgesetzt ist. Mehrere
Schichten von Supraleiter können abwechselnd
mit Schichten von Isoliermaterial gewickelt sein, um die Spulen
zu formen. Es können
auch Schichten aus verstärkendem
Material zwischen die Supraleiter-Schichten gewickelt sein. Es können auch
andere Vorgehensweisen zum Bilden der Doppel-Flachspulen angewandt
werden, wie z. B. das bekannte Reaktions-und-Wickel-Verfahren.
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Die oben beschriebene und in den 2 und 3 dargestellte Anordnung von Doppel-Flachspulen hat eine
relativ energieeffiziente Supraleiter-Spulenanordnung zum Ergebnis,
bei der das Magnetfeld in der Spulenmitte stark ist. Das Prinzip
der vorliegenden Erfindung kann auch angewandt werden, um eine mit
einem anisotropen Supraleiter-Material gewickelte supraleitende
Magnetspule zu schaffen, bei der die Strombelastbarkeit der Spule über ihre
axiale Länge
einheitlich ist.
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Zum Beispiel können, wie in 5 dargestellt, die Außendurchmesser der Doppel-Flachspulen 60–65 von
einem zentralen Bereich 67 der Spule zu den Randbereichen 69 zunehmend
größer werden,
um die kleiner werdende Strombelastbarkeit zu kompensieren, die
mit der Größe der senkrechten Komponente
des Magnetfelds zusammenhängt.
In der Technik ist bekannt, dass (bei Verwendung von anisotropem
Supraleiter-Material, wie z. B. der oben beschriebene Keramik-Supraleiter
auf Cu-O-Basis) die senkrechte Komponente des Magnetfelds im zentralen
Bereich der Spule, wo die Linien insgesamt mit der Längsachse
der Spule parallel verlaufen, am kleinsten ist, und in Randbereichen,
wo die Kraftlinien gekrümmt
sind, um die Schleife zu schließen,
zunehmend senkrecht gerichtet ist.
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Jede beliebige Anordnung von Flachspulenpaaren,
bei der der Außendurchmesser
von benachbarten Flachspulen im wesentlichen gleich ist, kann angewandt
werden, um die gewünschte
Magnetfeldeigenschaft der Spulenanordnung zu erhalten. Zum Beispiel
können
Spulenanordnungen mit Doppel-Flachspulen, die so gewickelt sind,
dass die Flachspulen unterschiedliche Durchmesser haben, sowohl
mit einzelnen Flachspulen als auch mit Doppel-Flachspulen mit einheitlichem Außendurchmesser
gleichermaßen
angewandt werden. Die Spulenanordnungen können in Längsrichtung ein Außendurchmesser-Profil
haben, das von einem zentralen Bereich der Spule aus entlang der
Längsachse
hin zu den Randbereichen der Spule größer oder kleiner wird. Alternativ
kann das Außendurchmesser-Profil entlang
der Spulenachse stufenweise größer und kleiner
werden, um ein beliebiges erwünschtes
Feldprofil zu liefern, oder um sich einer erzwungenen Geometrie
anzupassen, wie z. B. die Läuferspule
eines Motors.
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Das Prinzip der vorliegenden Erfindung
kann auch auf supraleitende Magnetspulen verschiedener Formen, darunter
auch Laufbahnmagneten, Solenoide und mehrpolige Magnete, angewandt
werden.
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Darüber hinaus ist das Prinzip
auf Anordnungen anwendbar, bei denen das Innenabmessungsprofil einer
supraleitenden Magnetspulenanordnung variiert, wobei das Außenprofil
entweder im wesentlichen gleich ist, oder wie oben beschrieben variiert. Eine
Spulenanordnung mit diesem Profil kann z. B. durch Doppel-Flachspulen
mit dem gleichen Außendurchmesser,
aber jede mit einem anderen Innendurchmesser (wobei die einzelnen
Flachspulen jeder Doppel-Flachspule
den gleichen Innendurchmesser haben) gestaltet werden. Die Doppel-Flachspulen werden
dann entlang einer Längsachse
der Spulenanordnung z. B. so positioniert, dass der Innendurchmesser
der Anordnung entlang der Achse monoton größer oder kleiner wird.
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In den 6 und 7 sind andere Ausführungsformen
dargestellt, bei denen Doppel-Flachspulen,
die entlang einer Längsachse 100 ihrer
jeweiligen Spulenanordnung 80, 90 angeordnet sind,
Einzel-Flachspulen mit verschiedenen Innendurchmessern haben. Kurze
Längen
von Brückensegmenten 81 werden
verwendet, um die benachbarten Doppel-Flachspulen mit verschiedenen
Innendurchmessern an Schnittstellen entlang des Außendurchmessers
der Spule elektrisch miteinander zu verbinden. Wie bei den Ausführungsformen,
bei denen das Außenprofil
abgestuft ist, können
je nach Verwendungszweck verschiedene Formen von Spu len und verschieden
abgestufte Innenprofile angewandt werden. Ein inneres Trägerrohr
zum Tragen der einzelnen Doppel-Flachspulen kann verwendet werden
oder auch nicht.
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Die in 6 dargestellte
supraleitende Magnetspulenanordnung 80 umfasst Flachspulen 82– 87, die
so angeordnet sind, dass ihre Innendurchmesser von einem zentralen
Bereich 88 der Spule zu Randbereichen 89 kleiner
werden. Eine solche Anordnung kann für Anwendungsbereiche von supraleitenden Motoren
oder supraleitenden Beschleunigungsmessern wünschenswert sein. Für Anwendungen
eines supraleitenden Elektromotors kann z. B. ein Stator oder können mehrere
Statoren unter Verwendung supraleitender Doppel-Flachspulen mit,
wie in 6 gezeigt, unterschiedlichen
Innendurchmessern hergestellt werden. Auf diese Weise können die
Statoren die äußere Form
des innerhalb der Innenöffnung
positionierten Läufers
nachvollziehen.
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In 7 ist
eine supraleitende Magnetspulenanordnung 90 gezeigt, die
Flachspulen 92–97 umfasst,
deren Innendurchmesser von einem zentralen Bereich 98 zu
Randbereichen 99 größer werden. Eine
Spule mit dieser Anordnung kann für Anwendungen im Bereich der
Abbildung magnetischer Resonanz und der chemischen Spektroskopie
interessant sein. Man beachte, dass bei dieser speziellen Ausführungsform
die Einzel-Flachspulen 92a–92b, 97a–97b,
die die äußeren Flachspulen 92 bzw. 97 bilden,
die unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschriebene Konfiguration
haben. Das heißt,
dass die Innendurchmesser dieser Doppel-Flachspulen im wesentlichen konstant
sind, wobei sich die Außendurchmesser
unterscheiden.
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Die Flachspulen 82–87 und 93–96 in
den 6 bzw. 7 sind allgemein auf die
gleiche Weise gewickelt, wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Der Dorn ist jedoch so
gestaltet, dass er Abschnitte mit unterschiedlichen Außendurchmessern hat,
um die Wicklung der einzelnen Flachspulen der Doppel-Flachspule
jeweils anzupassen. Beispielsweise wird ein erster Abschnitt des
Supraleiter-Bandes über
einen Dornbereich mit einem ersten Außendurchmesser gewickelt, um
die erste der Einzel-Flachspulen zu bilden. Das auf der Aufnahmespule
verbleibende Band wird dann zum Arm bewegt, und die zweite der beiden
Einzel-Flachspulen wird über den
zweiten Dornbereich mit anderem Außendurchmesser gewickelt. Je
nachdem, wie groß der
Unterschied zwischen den Dornbereichen mit unterschiedlichen Außendurchmessern
ist, kann ein Führungs-
oder Spurelement vorhanden sein, um das Band beim Übergang
zwischen den einzelnen Flachspulen zu unterstützen. Ein solches Führungselement
kann notwendig sein, um die Gefahr eines möglichen Zerreißens des
Bandes oder eine Biegebelastung zu verringern, die die Strombelastbarkeit des
Bandes nagativ beeinflussen können.
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In 8 zeigt
eine Seitenansicht einer repräsentativen
der Doppel-Flachspulen der Spulenanordnung 90 die Schnittstelle
zwischen den Einzel-Flachspulen 94a und 94b der
Doppel-Flachspule 94.
Wie in der Figur zu sehen wickelt sich ein spiralförmiger Abschnitt 102 des
Supraleiter-Bandes vom Innendurchmesser der Flachspule 94a zum
Innendurchmesser von 94b ab. Ist die Doppel-Flachspule epoxidharzimprägniert,
dann ist der spiralförmige
Abschnitt 102 des Bandes fest an der Innenfläche 104 der
Flachspule 94b angebracht, um den spiralförmigen Abschnitt
mechanisch zu stützen.
Bei manchen Anwendungen kann es angebracht sein, diesen Bereich
mit sich veränderndem
Durchmesser zwischen den Flachspulen 94a und 94b vollständig mit
Epoxidharz zu imprägnieren.
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In 9 ist
eine andere Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, bei der eine supraleitende Spulenanordnung 110 Doppel-Flachspulen 114–119 umfasst,
die entlang einer Längsachse 112 der
Spulenanordnung angeordnet sind. Anders als in den oben unter Bezugnahme
auf die 2, 3 und 5–7 beschriebenen Ausführungsformen
umfasst jede Doppel-Flachspule ein Paar von Einzel-Flachspulen mit gleichem
Innen- und Außendurchmesser.
Jedoch haben, wie in 9 zu
sehen, benachbarte Doppel-Flachspulen der Spulenanordnung 110 unterschiedliche
Innendurchmesser, wodurch eine Spulenanordnung mit variierendem
Innendurchmesser entsteht. Der Innendurchmesser der Spulenanordnung
kann so variieren, dass er sich einer beliebigen erzwungenen Form
oder Anforderung an das Supraleiter-Volumen anpasst, darunter auch
die hier dargestellte Form eines Innendurchmessers, der von einem
zentralen Bereich zu Randbereichen der Spulenanordnung größer wird.
Bei dieser Ausführungsform
kann die unter Bezugnahme auf 4 beschriebene
Vorgehensweise angewandt werden, um jede der Doppel-Flachspulen 114–119 zu
bilden.
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Das Kombinieren von Doppel-Flachspulen mit
variierenden Innen- und Außendurchmessern
ermöglicht
den Herstellern von Spulen größere Freiheit bei
der Verwirklichung einer gewünschten
Feldverteilung. Solche Spulen können
so angeordnet werden, dass ein Feld mit einem hohen Homogenitätsgrad entsteht,
oder ein Feld mit einem hohen Intensitätsgrad in einem bestimmten
Bereich.
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Weitere Ausführungsformen liegen innerhalb des
durch die Ansprüche
abgegrenzten Bereichs.
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Es werden beansprucht: