DE69531693T3

DE69531693T3 - Supraleitende magnetspule mit variablem profil

Info

Publication number: DE69531693T3
Application number: DE69531693.1T
Authority: DE
Inventors: Anthony RODENBUSH; Alexis Malozemoff; Bruce Gamble
Original assignee: American Superconductor Corp
Current assignee: American Superconductor Corp
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2015-10-14
Also published as: AU4131496A; DE69531693T2; EP0786141B1; EP0786141A4; EP0786141A1; WO1996012288A1; DE69531693D1; JPH10507589A; CA2201715A1; NZ296653A; AU694296B2; CN1160454A; EP0786141B2; CN1088246C

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf supraleitende Magnetspulen.
Wie auf diesem Fachgebiet bekannt, ist die bemerkenswerteste Eigenschaft eines Supraleiters, dass sein elektrischer Widerstand verschwindet, wenn er unter eine kritische Temperatur T_c herabgekühlt wird.
Unterhalb von T_c und einem kritischen Magnetfeld kann ein Supraleiter eine elektrische Stromdichte von bis zu einer kritischen Stromdichte (J_c) des Supraleiters führen. Die kritische Stromdichte ist die Stromdichte, bei der das Material seine supraleitenden Eigenschaften verliert und wieder seine normale Leitfähigkeit annimmt.
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.
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)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x oder Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x (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 (T_c = 115 K bzw. 95 K) auftreten.
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.
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.
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.
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 supraleitendem Material der oben beschriebenen Art, z. B. Kupferoxidkeramik, gebildeter Bänder miteinander verbunden.
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.
In der JP-A-61-082404 ist ein supraleitender Magnet aus Doppel-Flachspulen offenbart, die im Zentrum einer Magnetspule ein homogenes Magnetfeld haben.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer supraleitenden Magnetspulenanordnung gemäß Anspruch 1.
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 zwischen 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.
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.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
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).
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 hat eine andere Innenabmessung 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.
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.
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.
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. Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x oder Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_x (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 Material umfasst, verwendet werden, um die elektrischen Verbindungen zwischen einzelnen Flachspulen benachbarter Doppel-Flachspulen herzustellen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bildung einer supraleitenden Magnetspulenanordnung gemäß Anspruch 18. 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.
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.
Weitere Vorteile und Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen hervor.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine Querschnittansicht eines aus mehreren Fäden bestehenden zusammengesetzten Leiters.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer aus mehreren übereinandergestapelten Schichten bestehenden supraleitenden Spule mit Doppel-Flachspulen.
3 ist eine Querschnittansicht von 2 entlang der Linie 3-3 aus 2.
4 veranschaulicht eine Spulenwicklungsvorrichtung.
5 ist eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Innendurchmesser der Spulenanordnung variiert.
7 ist eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Innendurchmesser der Spulenanordnung variiert.
8 ist eine Seitenansicht einer Doppel-Flachspule entlang der Linie 8-8 aus 7.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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. Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x, 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 12a–17a 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.
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.
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 Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x-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 Doppel-Flachspulen 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.
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.
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.
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.
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.
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. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann auch auf supraleitende Magnetspulen verschiedener Formen, darunter auch Laufbahnmagneten, Solenoide und mehrpolige Magnete, angewandt werden.
Darüber hinaus ist das Prinzip auf Anordnungen anwendbar, bei denen das Innenabmessungsprofil einer supraleitenden Magnetspulenanordnung variiert, wobei das Außenprofil 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.
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 Spulen und verschieden abgestufte Innenprofile angewandt werden. Ein inneres Trägerrohr zum Tragen der einzelnen Doppel-Flachspulen kann verwendet werden oder auch nicht.
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.
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.
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 negativ beeinflussen können.
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.
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.
Weitere Ausführungsformen liegen innerhalb des durch die Ansprüche abgegrenzten Bereichs.

Claims

Supraleitende Magnetspulenanordnung mit: mindestens mehreren Doppel-Flachspulen, die entlang einer Längsachse der Spulenanordnung koaxial angeordnet sind, wobei jede Doppel-Flachspule der mehreren Doppel-Flachspulen 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 der mehreren Doppel-Flachspulen mit einer benachbarten der mehreren Doppel-Flachspulen elektrisch verbunden ist, wobei der radiale Querschnitt der Spulenanordnung aus elektrisch miteinander verbundenen Flachspulen in Bezug zur Längsachse variiert, wobei die Längsachse das Zentrum der Öffnung bildet, wobei die Einzel-Flachspulen von jeder der mehreren Doppel-Flachspulen eine unterschiedliche Außenabmessung voneinander aufweist, und wobei die Außenabmessungen von benachbarten Flachspulen der benachbarten Doppel-Flachspulen im wesentlichen gleich sind.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei jede Einzel-Flachspule einen parallel zur Längsachse verlaufenden Außenrand hat, und wobei ein Abstand von einem Außenrand der Einzel-Flachspulen zur Längsachse entlang der Längsachse der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden Magnetspule variiert.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 2, wobei der Abstand vom Außenrand der Einzel-Flachspulen zur Längsachse entlang der Längsachse der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden Magnetspule monoton nicht größer wird.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 2, wobei der Abstand vom Außenrand der Einzel-Flachspulen zur Längsachse entlang der Längsachse der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden Magnetspule monoton nicht kleiner wird.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 2, wobei der Abstand vom Außenrand der Einzel-Flachspulen zur Längsachse entlang der Längsachse der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden Magnetspule größer wird.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Einzel-Flachspulen jeder Doppel-Flachspule mit einer Einzel-Flachspule einer benachbarten Doppel-Flachspule entlang eines Außenrandes der benachbarten Doppel-Flachspule elektrisch verbunden sind.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 6, wobei jede Einzel-Flachspule einen parallel zur Längsachse verlaufenden Außenrand hat, und wobei ein Abstand zwischen dem Außenrand benachbarter Doppel-Flachspulen und der Längsachse entlang der Längsachse der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden Magnetspule monoton nicht größer wird.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 6, wobei jede Einzel-Flachspule einen parallel zur Längsachse verlaufenden Außenrand hat, und wobei ein Abstand zwischen dem Außenrand der Einzel-Flachspulen und der Längsachse benachbarter Doppel-Flachspulen entlang der Längsachse der supraleitenden Magnetspule von einem zentralen Bereich zu Randbereichen der supraleitenden Magnetspule monoton nicht kleiner wird.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Doppel-Flachspulen kreisförmig sind.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Doppel-Flachspulen laufbahnförmig sind.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Doppel-Flachspulen sattelförmig sind.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei der anisotrope Hochtemperatursupraleiter der Wismut-Familie von Oxid-Supraleitern angehört.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei der anisotrope Hochtemperatursupraleiter der Yttrium-Familie von Oxid-Supraleitern angehört.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Supraleiter als Supraleiter-Band ausgeführt ist, das einen aus mehreren Fäden bestehenden zusammengesetzten Supraleiter umfasst, wobei einzelne supraleitende Fäden die Länge des aus mehreren Fäden bestehenden zusammengesetzten Leiters übersteigen und von einem matrixbildenden Material umgeben sind oder von diesem getragen werden.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei elektrisch leitfähige Brückensegmente die elektrischen Verbindungen zwischen Einzel-Flachspulen benachbarter Doppel-Flachspulen bilden.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 15, wobei die elektrisch leitfähigen Brückensegmente als Supraleiter-Band, das ein zusammengesetztes supraleitendes Material enthält, ausgeführt sind.
Supraleitende Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Doppel-Flachspulen ein Paar Flachspulen umfasst, die aus einer Endloslänge supraleitenden Materials um die Längsachse gewickelt sind.
Verfahren zum Bilden einer supraleitenden Magnetspulenanordnung mit einem radialen Querschnitt, der entlang einer Längsachse der Spulenanordnung variiert, mit den Schritten: 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.
Verfahren nach Anspruch 18, zusätzlich mit dem Schritt des festen Anbringens eines Abschnitts des Supraleiters, der das Flachspulenpaar mit der Flachspule mit dem kleineren Abstand zwischen einem Innenrand der Einzel-Flachspule und der Längsachse verbindet, und zwar an einer der anderen aus dem Paar von Einzel-Flachspulen benachbarten Seitenfläche.
Verfahren nach Anspruch 18, zusätzlich mit dem Schritt des Verbindens der Doppel-Flachspulen mit einer im Wesentlichen nicht gekrümmten Länge supraleitenden Materials.