EP0071986A2 - Supraleitende Spule - Google Patents

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EP0071986A2
EP0071986A2 EP82107077A EP82107077A EP0071986A2 EP 0071986 A2 EP0071986 A2 EP 0071986A2 EP 82107077 A EP82107077 A EP 82107077A EP 82107077 A EP82107077 A EP 82107077A EP 0071986 A2 EP0071986 A2 EP 0071986A2
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magnetic
winding cross
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Cord-Henrich Dr. Dipl.-Phys. Dustmann
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BBC Brown Boveri AG Germany
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Brown Boveri und Cie AG Germany
BBC Brown Boveri AG Germany
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C1/00—Magnetic separation
    • B03C1/02—Magnetic separation acting directly on the substance being separated
    • B03C1/035—Open gradient magnetic separators, i.e. separators in which the gap is unobstructed, characterised by the configuration of the gap
    • B03C1/0355—Open gradient magnetic separators, i.e. separators in which the gap is unobstructed, characterised by the configuration of the gap using superconductive coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor

Definitions

  • the invention relates to a superconducting coil for generating high magnetic fields with high field strength gradients in a useful space.
  • magnetizable materials are separated from non-magnetizable materials, for example separation of weak magnetic ore such as hematite from rock, or separation of pyrite from coal.
  • the separating force results from the product of the magnetizability of the material to be separated with the magnitude of the magnetic field strength and the local gradient of the magnetic field strength.
  • a high magnetic field strength can be generated by superconducting windings because of their high realizable current densities while avoiding ohmic losses.
  • Rectangular winding cross sections are used in the magnet systems according to the publications mentioned.
  • the maximum feasible magnetic field strength that can be achieved when using rectangular winding cross sections within this wick lungsqueriteses is limited in superconducting windings by the material-related critical magnetic field strength.
  • the object of the invention is to provide a superconducting coil or coil arrangement, the coil configuration and cross section of which allows the generation of high magnetic fields with high gradients of the magnetic field strength in a usable space, taking into account the problems described.
  • This object is achieved in that the winding cross section of the superconducting coil tapers with increasing distance from the usable space. As a result, the location of maximum magnetic field strength can be shifted relatively far from the usable space compared to rectangular winding cross sections, without the gradient of the magnetic field strength in the usable space being reduced.
  • the winding cross section of the superconducting coil is at least approximately trapezoidal, the longer trapezoidal base being oriented towards the usable space.
  • a theoretically favorable winding cross section of the coil is approximated by a closed polygon.
  • This polyline is preferably represented by a step function, taking the conductor dimensions into account.
  • the superconducting windings of the coil which are in the range of maximum magnetic field strength, are made of superconducting material with a particularly high critical magnetic field strength, e.g. Nb 3 Sn (critical magnetic field strength approximately 8 to 9T). Only the cross-sectional areas of the superconducting coil, where the occurrence of maximum magnetic field strength is expected, are provided with windings, the material of which has a particularly high critical magnetic field strength.
  • a material is, for example, Nb 3 Sn with a critical magnetic field strength of approximately 13 to 14T.
  • Nb 3 Sn is relatively expensive and problematic to process because it is very brittle.
  • the claimed embodiment of the invention is of particular advantage for an arrangement of superconducting coils in a magnet system, in which the mutually facing cross sections of two adjacent coils form a common winding cross section, which tapers with increasing distance from the usable space.
  • the cross-sections of two adjacent coils, through which current flows simultaneously can lie against one another and form a structural unit with a common trapezoidal winding cross section, the longer trapezoidal base side of which is directed towards the usable space.
  • the two outer winding cross sections of the magnet system are preferably provided with a smaller (for example half as large) cross-sectional area as the inner winding cross sections of the magnet system.
  • Figures 1 and 2 show a belt magnetic separator, in which four superconducting magnetic coils are arranged under a conveyor belt 1.
  • the coils 2 are oval or race-track-shaped and lie with their respective longitudinal axes in the running direction (arrow 14) of the conveyor belt 1.
  • the windings of two adjacent coils 2 abut each other in the region of their straight sections 3 and in this way form a common winding cross section 4.
  • two adjacent coils have current flowing through them in opposite directions, so that a uniform current direction occurs in each of the common winding cross sections 4.
  • the winding cross sections 4 of the coils 2 are trapezoidal.
  • the entire coil arrangement is shielded from the ambient temperature by cryotechnical insulation 5, which is only indicated by a dashed line.
  • this insulation 5 requires a minimum distance between the superconducting windings and the useful space 6, which cannot be reduced at will.
  • the conveyor belt 1 runs on which the material 7 to be separated is guided past the coil arrangement. The more magnetizable material travels to locations of increasing gradients of the magnetic field strength (in the vicinity of the coil cross-sections 4) and passes there, while only slightly magnetizable material remains almost unaffected.
  • Figure 3 shows the cross section of a single coil which is substantially trapezoidal.
  • the trapezoidal leg pointing towards the center of the coil is approximated by a step function 8.
  • FIGS. 4 and 5 show drum magnetic separators with superconducting coils according to the invention.
  • superconducting magnetic coils 10 designed in race-track form are arranged next to one another in the drum in the direction of the longitudinal axis of the drum.
  • the coil shape is adapted to the curvature of the cylinder.
  • the cross section of the coil arrangement can correspond to the arrangement shown schematically in FIG.
  • the superconducting magnet coils 11 are D-shaped and strung together to form a coil arrangement.
  • the section of the magnetic coils 11 facing the cylinder surface can have a trapezoidal cross section, the longer base side of which is oriented towards the outside of the cylinder surface, which is followed by the usable space for material separation.
  • FIG. 6 shows the magnitude of the magnetic field strength B as a spatial function.
  • An axis x is chosen as the spatial parameter, which points out of the winding cross section 12 and extends into the useful space 13.
  • the solid line shows the magnetic field strength curve for a rectangular winding cross section, while the dashed curve shows the magnetic field strength for a trapezoidal winding cross section according to the invention. It can be seen that in the winding cross section according to the invention (dashed curve) the point of maximum magnetic field strength is shifted towards usable space 13. This leads to a considerable increase in the magnetic field strength in the usable space of approx. 10 to 20%.
  • the gradient of the magnetic field strength in the useful space 13 has approximately the same value for a winding cross section according to the invention as for a rectangular winding cross section.
  • the increase in the amount of magnetic field strength in the usable space increases the separating force in magnetic separators.
  • the modification of the winding cross-section of the superconducting magnet coils according to the invention does not require any additional effort in comparison to magnet coils manufactured according to the prior art, depending on the overall embodiment.

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Abstract

Eine supraleitende Magnetspule zur Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Gradienten der Magnetfeldstärke in einem Nutzraum wird so ausgebildet, dass der Wickelquerschnitt der Spule sich mit zunehmendem Abstand vom Nutzraum verjüngt. Der Wickelquerschnitt der Spule kann wenigsten annähernd trapezförmig ausgebildet sein wobei die längere Trapezgrundseite zum Nutzraum hingerichtet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spule zur Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Feldstärkegradienten in einem Nutzraum.
  • Es ist bekannt zur Erzeugung hoher Gradienten der Magnetfeldstärke zur Fokusierung geladener Teilchen in Beschleunigern Quadrupolmagnete zu verwenden. Es wurde eine supraleitende Ausführungsform einer solchen Anordnung mit einem Quadrupolmagneten beschrieben (F. Arendt, Bau und Betrieb zweier supraleitender Quadrupolmagnete für ein Hyperonenexperiment im CERN, Kernforschungszentrum Karlsruhe KfK-2632 (1979)). Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der magnetische Rückfluß durch ein Eisenjoch geführt.
  • Ein weiteres Anwendungsgebiet für hohe Magnetfelder mit hohen Gradienten der Magnetfeldstärke ist bei Magnetscheidern gegeben, bei denen magnetisierbare Materialien von nichtmagnetisierbaren Materialien getrennt werden z.B. Trennen von schwachmagnetischem Erz wie Hämatit von Gestein, oder Trennen von Pyrit aus der Kohle. Dabei ergibt sich die Trennkraft aus dem Produkt der Magnetisierbarkeit des zu trennenden Materials mit dem Betrag der magnetischen Feldstärke und dem örtlichen Gradienten der Magnetfeldstärke. Zur Erzielung eines möglichst großen Trenneffektes ist es daher erwünscht, am Ort des zu trennenden Gutes gleichzeitig sowohl eine möglichst hohe Magnetfeldstärke als auch einen möglichst hohen Gradienten der Magnetfeldstärke zu erzeugen. Insbesondere eine hohe Magnetfeldstärke läßt sich durch supraleitende Wicklungen wegen ihrer hohen realisierbaren Stromdichten bei gleichzeitiger Vermeidung von ohmschen Verlusten erzeugen. Jedoch läßt sich wegen der notwendigen kryotechnischen Isolation zwischen der supraleitenden Wicklung (ca. 5K) und dem zu trennenden Material (ca. 300K) ein gewisser Mindestabstand zwischen der supraleitenden Wicklung und dem zu trennenden Material nicht unterschreiten, so daß der Ort der maximalen Magnetfeldstärke, der innerhalb des Wicklungsquerschnittes liegt, nicht beliebig nah an den Nutzraum herangeführt werden kann.
  • Es ist ein Magnetscheider mit supraleitenden Spulen bekannt geworden, (K. Schönert et al, Solenoid-pile Separator, a New High Intensity Magnetic Separator with Superconductive Coils, Proceedings of XIIth International Mineral Processing Congress, Sao Paulo, Brazil (1977)), bei dem ein hoher Gradient der Magnetfeldstärke durch Aufeinanderstapeln von wechselseitig entgegengesetzt gepolten Spulen realisiert ist.
  • Bei den Magnetsystemen gemäß den genannten Druckschriften werden rechteckige Wicklungsquerschnitte verwendet. Die maximal realisierbare Magnetfeldstärke, die bei Verwendung rechteckiger Wicklungsquerschnitte innerhalb dieses Wicklungsquerschnittes liegt, ist bei supraleitenden Wicklungen durch die materialbedingte kritische Magnetfeldstärke begrenzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitende Spule oder Spulenanordnung zu schaffen, deren Spulenkonfiguration und -querschnitt die Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Gradienten der Magnetfeldstärke in einem Nutzraum unter Berücksichtigung der geschilderten Probleme erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule sich mit zunehmendemAbstand vom Nutzraum verjüngt. Hierdurch kann der Ort maximaler Magnetfeldstärke verglichen mit rechteckigen Wickelquerschnitten relativ weit zum Nutzraum hin verlagert werden, ohne daß der Gradient der Magentfeldstärke im Nutzraum verringert wird.
  • In vorteilhafter Weise ist der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule wenigstens annähernd trapezförmig ausgebildet, wobei die längere Trapezgrundseite zum Nutzraum hin ausgerichtet ist.
  • Vorzugsweise ist der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule hinsichtlich Form- und Flächeninhalt derart optimiert, daß der Ort der maximalen Magnetfeldstärke möglichst nahe am Nutzraum liegt. Als Optimierungsparameter gehen hier u.a. ein:
    • Querschnittsform (z.B. Höhe, Breite, Trapezwinkel) der Spule, Wickeldrahtabmessungen, Form der Spule und ggf. Anordnung mehrerer Spulen (z.B. D-förmig ausgebildete Spulen oder Spulen in race-track-Anordnung d.h. mit ovaler Wicklungsbahn).
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein theoretisch günstiger Wickelquerschnitt der Spule durch einen geschlossenen Polygonzug angenähert.
  • Dieser Polygonzug ist vorzugsweise durch eine Stufenfunktion dargestellt, wobei die Leiterdimensionen berücksichtigt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bestehen die supraleitenden Wicklungen der Spule, die im Bereich maximaler Magnetfeldstärke liegen, aus supraleitendem Material mit besonders hoher kritischer Magnetfeldstärke, z.B.Nb3Sn Auf diese Weise läßt sich die supraleitende Spule im wesentlichen aus relativ einfach zu verarbeitenden supraleitenden Materialien wie NbTi (kritische Magnetfeldstärke ungefähr 8 bis 9T) herstellen. Lediglich die Querschittsbereiche der supraleitenden Spule, bei denen das Auftreten maximaler Magnetfeldstärke erwartet wird, werden mit Wicklungen versehen, deren Material eine besonders hohe kritische Magnetfeldstärke aufweist. Solch ein Material ist z.B Nb3Sn mit einer kritischen Magnetfeldstärke von ungefähr 13 bis 14T. Nb3Sn ist jedoch relativ teuer und in der Verarbeitung problematisch, da es sehr spröde ist.
  • Von besonderem Vorteil ist die beanspruchte Ausgestaltung der Erfindung für eine Anordnung von supraleitenden Spulen in einem Magnetsystem, bei der jeweils die einander zugewandten Querschnitte zweier benachbarter Spulen einen gemeinsamen Wickelquerschnitt bilden, der sich mit zunehmendem Abstand vom Nutzraum verjüngt. Bsw. können bei einer race-track-Anordnung die Querschnitte zweier benachbarter Spulen, die gleichläufig von Strom durchflossen werden, aneinanderliegen und eine Baueinheit mit gemeinsamen trapezförmigen Wickelquerschnitt bilden, dessen längere.Trapezgrundseite zum Nutzraum hin gerichtet ist. Vorzugsweise werden bei einer Anordnung von supraleitenden Spulen in einem Magnetsystem, das mehrere aneinandergereihte Wicklungsquerschnitte aufweist, die beiden äußeren Wicklungsquerschnitte des Magnetsystems mit einer kleineren (z.B. halb so großen) Querschnittsfläche versehen wie die inneren Wicklungsquerschnitte des Magnetsystems. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung läßt sich das Auftreten einer Feldüberhöhung über das mittlere maximale Feld hinaus an den Rändern des Magnetsystems vermeiden.
  • Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • Fig.1 eine schematische Darstellung eines Magnetscheiders mit einer race-track-Anordnung von supraleitenden Spulen über einem Förderband, in Richtung des Pfeils I in Fig. 2 gesehen,
    • Fig.2 eine schematische Darstellung gemäß Fig. 1 im Schnitt II-II,
    • Fig.3 einen Spulenquerschnitt,
    • Fig.4 eine schematische Darstellung eines Trommelmagnetscheiders mit einer race-track-Anordnung von supraleitenden Spulen in perspektivischer Darstellung,
    • Fig.5 eine schematische Darstellung eines Trommelmagnetscheiders mit nebeneinander angeordneten, D-förmig ausgebildeten supraleitenden Spulen in perspektivischer Darstellung und
    • Fig.6 eine Darstellung des örtlichen Verlaufs der Magnetfeldstärke.
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Bandmagnetscheider, bei dem unter einem Förderband 1 vier supraleitende Magnetspulen angeordnet sind. Die Spulen 2 sind oval oder race-track-förmig ausgebildet und liegen mit ihrer jeweiligen Längsachse in Laufrichtung (Pfeil 14) des Förderbandes 1. Die Wicklungen zweier benachbarter Spulen 2 stoßen im Bereich ihrer geraden Abschnitte 3 aneinander und bilden auf diese Weise einen gemeinsamen Wickelquerschnitt 4. Jeweils zwei benachbarte Spulen sind gegensinnig von Strom durchflossen, sodaß in jedem der gemeinsamen Wickelquerschnitte 4 eine einheitliche Stromrichtung auftritt.
  • Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Wickelquerschnitte 4 der Spulen 2 trapezförmig. Die gesamte Spulenanordnung ist durch eine kryotechnische Isolation 5 gegen die Umgebungstemperatur abgeschirmt, was lediglich durch eine strichlierte Linie angedeutet ist. Insbesondere diese Isolation 5 bedingt einen Mindestabstand zwischen den supraleitenden Wicklungen und dem Nutzraum 6, der nicht beliebig verringert werden kann. Außerhalb der Isolation 5 läuft das Förderband 1, auf dem das zu trennende Gut 7 an der Spulenanordnung vorbeigeführt wird. Das stärker magnetisierbare Material wandert während des Passierens der Spulenanordnung zu Orten wachsender Gradienten der Magnetfeldstärke (in die Nähe der Spulenquerschnitte 4) und reichert sich dort an, während das nur gering magnetisierbare Material so gut wie unbeeinflußt bleibt.
  • Figur 3 zeigt den Querschnitt einer einzelnen Spule, der im wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Der zur Spulenmitte weisende Trapezschenkel ist durch eine Stufenfunktion 8 angenähert.
  • In den Figuren 4 und 5 sind Trommelmagnetscheider mit erfindungsgemäßen supraleitenden Spulen dargestellt. Gemäß Figur 4 sind in einer Trommel 9 race-track-förmig ausgebildete supraleitende Magentspulen 10 in Richtung der Trommellängsachse nebeneinander angeordnet. Die Spulenform ist hier der Zylinderkrümmung angepaßt. Der Querschnitt der Spulenanordnung kann der in Figur 2 schematisch dargestellten Anordnung entsprechen.
  • Gemäß Figur 5 sind die supraleitenden Magnetspulen 11 D-förmig ausgebildet und zu einer Spulenanordnung aneinandergereiht. Der der Zylinderoberfläche zugewandete Abschnitt der Magnetspulen 11 kann einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, dessen längere Grundseite nach außen zur Zylinderoberfläche hin, an die sich der Nutzraum für Materialtrennung anschließt, ausgerichtet ist.
  • Die Figur 6 stellt den Betrag der Magnetfeldstärke B als Ortsfunktion dar. Als Ortsparameter ist eine Achse x gewählt, die aus dem Wicklungsquerschnitt 12 herausweist und sich bis in den Nutzraum 13 erstreckt. Die durchgezogene Linie zeigt den Magnetfeldstärkeverlauf für einen rechteckigen Wicklungsquerschnitt, während die strichlierte Kurve die Magnetfeldstärke für einen erfindungsgemäßen trapezförmigen Wicklungsquerschnitt zeigt. Es ist ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Wicklungsquerschnitt (strichlierte Kurve) der Punkt maximaler Magnetfeldstärke in Richtung Nutzraum 13 verlagert ist. Dies führt zu einer erheblichen Erhöhung der Magnetfeldstärke im Nutzraum von ca. 10 bis 20%. Der Gradient der Magnetfeldstärke im Nutzraum 13 hat bei einem erfindungsgemäßen Wicklungsquerschnitt etwa den gleichen Wert wie bei einem rechteckigen Wicklungsquerschnitt.
  • Die Erhöhung des Betrages der Magnetfeldstärke im Nutzraum erhöht bei Magnetscheidern die Trennkraft.
  • Die erfindungsgemäße Modifikation des Wickelquerschnittes der supraleitenden Magnetspulen bedingt je nach Gesamtausführungsform bei der Fertigung keinen Zusatzaufwand gegenüber nach dem Stand der Technik gefertigten Magnetspulen.

Claims (8)

1. Supraleitende Magnetspule (2, 10, 11) zur Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Gradienten der Magnetfeldstärke in einem Nutzraum (6, 13), dadurch gekennzeichnet,daß der Wickelquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) sich mit zunehmendem Abstand vom Nutzraum (6, 13) verjüngt.
2. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) wenigstens annähernd trapezförmig ausgebildet ist und die längere Trapezgrundseite zum Nutzraum (6, 13) hin gerichtet ist.
3. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) hinsichtlich Form und Flächeninhalt derart optimiert ist, daß der Ort der maximalen Magentfeldstärke möglichst nahe am Nutzraum (6, 13) liegt.
4. Supraleitende Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein theoretisch günstiger Wickelquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) durch einen geschlossenen Polygonzug angenähert ist.
5. Supraleitende Maghetspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polygonzug wenigstens teilweise durch eine Stufenfunktion (8) dargestellt ist.
6. Supraleitende Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Wicklungen der Spule (2, 10, 11), die im Bereich maximaler Magnetfeldstärke liegen, aus supraleitenden Materialien mit besonders hoher kritischer Magnetfeldstärke, z.B. Nb3Sn bestehen.
7. Anordnung von supraleitenden Magentspulen nach einem der Anprüche 1 bis 6, in einem Magentsystem, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die einander zugewandten Spulenabschnitte zweier benachbarter Spulen (2, 10) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind und einen gemeinsamen Wickelquerschnitt (4) bilden, der sich mit zunehmenden Abstand von Nutzraum (6, 13) verjüngt.
8. Anordnung von supraleitenden Magentspulen nach einem der Anprüche 1 bis 7, in einem Magnetsystem, das mehrere aneinandergereihte wickelquerschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Wickelquerschnitte des Magnetsystems eine kleinerevorzugsweise halb so große Querschnittsfläche aufweisen, wie die inneren Wicklungsquerschnitte (4) des Magnetsystems.
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EP0071986A3 EP0071986A3 (en) 1983-05-04
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