EP0071986B1 - Supraleitende Spule - Google Patents

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EP0071986B1
EP0071986B1 EP19820107077 EP82107077A EP0071986B1 EP 0071986 B1 EP0071986 B1 EP 0071986B1 EP 19820107077 EP19820107077 EP 19820107077 EP 82107077 A EP82107077 A EP 82107077A EP 0071986 B1 EP0071986 B1 EP 0071986B1
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EP
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coil
magnetic
field strength
section
magnetic field
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EP19820107077
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EP0071986A3 (en
EP0071986A2 (de
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Cord-Henrich Dr. Dipl.-Phys. Dustmann
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BBC Brown Boveri AG Germany
Original Assignee
Brown Boveri und Cie 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 flat superconducting magnet coil for non-overlapping side-by-side arrangement in magnetic separators for generating strong magnetic fields with high gradients of the magnetic field strength in the region of a usable space extending adjacent to the coil cross-sectional area above this.
  • magnetizable materials are separated from non-magnetizable materials
  • B Separation of weakly 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 superconducting magnetic device for generating inhomogeneous magnetic fields for magnetic separators has been described (DE-A-2 526 845), in which ferromagnetic bodies are arranged within the cryostat in zones with a higher field strength, by means of which both the basic field itself and its field gradient are to be increased .
  • Rectangular winding cross sections are used in the magnet systems according to the publications mentioned.
  • the maximum realizable magnetic field strength, which lies within this winding cross section when using rectangular winding cross sections, is limited in the case of 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 the 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.
  • DE-A-2 830 852 Although superconducting coils with cross sections deviating from the rectangular shape are also shown in DE-A-2 830 852, they are rotor windings of an electrical machine which are introduced into wedge-shaped grooves in the rotor body. The problems on which the present invention is based are not present in the electrical machine. Rather, DE-A-2 830 852 is essentially concerned with cooling problems.
  • the winding cross section of the superconducting coil is advantageously at least approximately trapezoidal, with the longer trapezoidal base side being oriented toward the usable space.
  • the winding cross section of the coil is approximately represented by a closed polygon.
  • This polyline is preferably represented by a step function, taking the conductor dimensions into account.
  • Ausge staltung consist of the superconducting windings of the coil, which are in the range of maximum magnetic field strength, made of superconducting material with a particularly high critical magnetic field strength, for. B. Nb 3 Sn.
  • the superconducting coil can essentially be produced from relatively easy to process superconducting materials such as NbTi (critical magnetic field strength approximately 8 to 9T). Only the cross-sectional areas of the superconducting coil, in which 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.
  • Such a material is e.g. B. NbsSn 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 toward the usable space.
  • FIG. 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 migrates as it passes through the coil arrangement to locations of increasing gradients of the magnetic field strength (in the vicinity of the coil cross sections 4) and accumulates there, while the only slightly magnetizable material remains virtually unaffected.
  • Fig. 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.
  • drum magnetic separators with superconducting coils according to the invention are shown.
  • superconducting magnetic coils 10 configured in race-track form are arranged next to one another in the direction of the longitudinal axis of the drum.
  • the shape of the coil is adapted to the curvature of the cylinder.
  • the cross section of the coil arrangement can correspond to the arrangement shown schematically in FIG. 2.
  • the superconducting solenoids 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 maxi Painterly 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.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine flach supraleitende Magnetspule zur nichtüberlappenden Nebeneinanderanordnung in Magnetscheidern zur Erzeugung starker Magnetfelder mit hohem Gradienten der Magnetfeldstärke im Bereich eines sich benachbart zur Spulenquerschnittsfläche über dieser erstreckenden Nutzraumes.
  • Es ist bekannt zur Erzeugung hoher Gradienten der Magnetfeldstärke zur Fokussierung geladener Teilchen in Beschleunigern Cluadrupolmagnete zu verwenden. Es wurde eine supraleitende Ausführungsform einer solchen Anordnung mit einem Quadrupolmagneten beschrieben (F. Arendt, »Bau und Betrieb zweier supraleitender Quadrupolmagnete für einen Hyperonenexperiment im CERN«, Kernforschungszentrum Karlsruhe KfK-2632 (1979)). Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der magnetische Rückfluß durch ein Eisenjoch geführt.
  • Ein weiteres Anwendungsgebiet für starke 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. Besonders hohe Magnetfeldstärken lassen 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 Colls«, Proceedings of Xllth International Mineral Processing Congress, Sao Paulo, Brazil (1977)), bei dem ein hoher Gradient der Magnetfeldstärke durch Aufeinanderstapeln von wechselseitig entgegengesetzt gepolten Spulen realisiert ist.
  • Ferner wurde eine supraleitende Magneteinrichtung zur Erzeugung inhomogener Magnetfelder für Magnetscheider beschrieben (DE-A-2 526 845), bei der innerhalb des Kryostaten in Zonen mit höherer Feldstärke ferromagnetische Körper angeordnet sind, durch die sowohl das Grundfeld selbst als auch dessen Feldgradient erhöht werden soll.
  • 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 zunehmendem Abstand vom Nutzraum verjüngt. Hierdurch kann der Ort maximaler Magnetfeldstärke verglichen mit rechteckigen Wikkelquerschnitten relativ weit zum Nutzraum hin verlagert werden, ohne daß der Gradient der Magnetfeldstärke im Nutzraum verringert wird.
  • Supraleitende Spulen mit von der Rechteckform abweichenden Querschnitten sind zwar auch in der DE-A-2 830 852 dargestellt, allerdings handelt es sich dabei um Rotorwicklungen einer elektrischen Maschine, die in keilförmige Nuten des Rotorkörpers eingebracht sind. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Probleme sind bei der elektrischen Maschine nicht gegeben. Vielmehr befaßt sich DE-A-2 830 852 im wesentlichen mit Kühlproblemen.
  • In vorteilhafter Weise ist der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule wenigstens annähernd trapezförmig ausgebildet, wobei die längere Trapezgrundseite zum Nutzraum hin ausgerichtet ist.
  • Bei der Optimierung des Wicklungsquerschnittes der supraleitenden Spule hinsichtlich Form- und Flächeninhalt derart, daß der Ort der maximalen Magnetfeldstärke möglichst nahe am Nutzraum liegt, sind folgende Parameter zu beachten:
    • 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 der Wickelquerschnitt der Spule angenähert durch einen geschlossenen Polygonzug wiedergegeben.
  • 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 Querschnittsbereiche 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. NbsSn 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. Beispielsweise 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. 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 Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen näher erläutert werden.
  • Es zeigt
    • 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 11-11,
    • 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 Fig. 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, so daß in jedem der gemeinsamen Wickelquerschnitte 4 eine einheitliche Stromrichtung auftritt.
  • Wie aus Fig. 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.
  • Fig. 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 Fig. 4 und 5 sind Trommelmagnetscheider mit erfindungsgemäßen supraleitenden Spulen dargestellt. Gemäß Fig. 4 sind in einer Trommel 9 race-track-förmig ausgebildete supraleitende Magnetspulen 10 in Richtung der Trommellängsachse nebeneinander angeordnet. Die Spulenform ist hier der Zylinderkrümmung angepaßt. Der Querschnitt der Spulenanordnung kann in der Fig. 2 schematisch dargestellten Anordnung entsprechen.
  • Gemäß Fig. sind die supraleitenden Magnetspulen 11 D-förmig ausgebildet und zu einer Spulenanordnung aneinandergereiht. Der der Zylinderoberfläche zugewandte 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 Fig. 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 Magnetabscheidem die Trennkraft.
  • Die erfindungsgemäße Modifikation des Wicklungsquerschnittes der supraleitenden Magnetspulen bedingt je nach Gesamtausführungsform bei der Fertigung keinen Zusatzaufwand gegenüber nach dem Stand der Technik gefertigten Magnetspulen.

Claims (6)

1. Flache supraleitende Magnetspule (2, 10, 11) zur nichtüberlappenden Nebeneinanderanordnung in Magnetscheidern zur Erzeugung starker Magnetfelder mit hohem Gradienten der Magnetfeldstärke im Bereich eines sich benachbart zur Spulenquerschnittsfläche über dieser erstreckenden Nutzraumes (6, 13), dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) sich mit zunehmendem Abstand vom Nutzraum (6,13) verjüngt.
2. Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) wenigstens trapezförmig ausgebildet ist und die längere Trapezgrundseite zum Nutzraum (6, 13) hin gerichtet ist.
3. Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wikkelquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) angenähert durch einen geschlossenen Polygonzug wiedergegeben ist.
4. Magnetspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polygonzug wenigstens teilweise durch eine Stufenfunktion (8) dargestellt ist.
5. Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Wicklungen der Spule (2, 10, 11), die im Bereich maximaler Magnetfeldstärke liegen, aus supraleitenden Materialien mit besonders hoher Magnetfeldstärke, z. B. NbsSn bestehen.
6. Anordnung von supraleitenden Magnetspulen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in einem Magnetsystem, 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 zunehmendem Abstand vom Nutzraum (6,13) verjüngt.
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EP0071986A2 EP0071986A2 (de) 1983-02-16
EP0071986A3 EP0071986A3 (en) 1983-05-04
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