EP3176795B1

EP3176795B1 - Magnetspulenanordnung mit anisotropem supraleiter

Info

Publication number: EP3176795B1
Application number: EP16200176.2A
Authority: EP
Inventors: Kenneth Günter; Patrik Vonlanthen; Robert Schauwecker
Original assignee: Bruker Switzerland AG
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2036-11-23
Also published as: US10332665B2; US20170162310A1; DE102015223991A1; EP3176795A1

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitfähige, gestufte Magnetspulenanordnung mit einer hohlen Spule mit konstantem Innenradius zur Erzeugung eines Betriebsmagnetfeldes in einem Arbeitsvolumen um eine Symmetrieachse, wobei die Spule Wicklungen aus einem anisotropen Supraleiter umfasst, dessen supraleitende Stromtragfähigkeit in einem Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung im Leiter sowohl von der Feldamplitude als auch von der Feldrichtung innerhalb einer Ebene senkrecht zur Stromrichtung abhängt, wobei die radial aufsummierte Anzahl der Windungen entlang der Symmetrieachse zum Rand hin in diskreten Stufen oder quasi-kontinuierlich reduziert ist.
Eine solche Magnetspulenanordnung ist bekannt aus Referenz [11].
Speziell kann eine derartige Magnetspulenanordnung ausgestaltet sein mit einer Schnittebene, welche die Symmetrieachse enthält und die Spule schneidet, wobei die Spule einen rechteckigen Spulenquerschnitt in der Schnittebene aufweist, der definiert ist durch einen radial inneren und radial äußeren sowie einen axial ersten und axial zweiten Spulenrand, definiert durch die Position einer radial innersten und einer radial äußersten Windung der Spule mit dem kleinsten bzw. größten Abstand zur Symmetrieachse, und durch die Position einer axial ersten und einer axial letzten Windung der Spule mit der kleinsten bzw. größten Koordinate entlang der Symmetrieachsenrichtung, und wobei die Spule aufweist:

einen ersten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich, welcher den Spulenquerschnitt entlang der Symmetrieachsenrichtung vollständig überdeckt und keine in axialer Richtung vollgewickelte Lage enthält,
einen zweiten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich innerhalb des ersten Spulenbereichs, welcher den ersten Spulenbereich radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung zu 10% überdeckt und den axial ersten oder zweiten Spulenrand einschließt,
einen dritten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich innerhalb des ersten Spulenbereichs, welcher den ersten Spulenbereich radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung zu 40% überdeckt und an den zweiten Spulenbereich anschließt, wobei die Anzahl der Windungen des anisotropen Supraleiters im dritten Spulenbereich mehr als das Viereinhalbfache der Anzahl der Windungen des anisotropen Supraleiters im zweiten Spulenbereich beträgt, einen vierten und fünften rechteckigen Spulenbereich innerhalb des Spulenquerschnitts, welche den Spulenquerschnitt radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung je zu 10 % überdecken und den axial ersten bzw. zweiten Spulenrand einschließen mit einer ersten und zweiten Spulenrandwindungszahl, gegeben durch die Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters im vierten bzw. im fünften Spulenbereich und mit einer maximalen Spulenrandwindungszahl, gegeben durch den Quotienten aus der Querschnittfläche des vierten oder fünften Spulenbereichs und der Querschnittfläche des anisotropen Supraleiters.

Eine solche Magnetspulenanordnung ist bekannt aus Referenz [0]

Hintergrund der Erfindung

Supraleitende Magnetspulen ermöglichen eine äußerst energieeffiziente Erzeugung von starken und zeitlich konstanten Magnetfeldern, da sie völlig ohne oder zumindest mit sehr geringen ohmschen Verlusten betrieben werden können.
Die elektrische Stromtragfähigkeit eines Supraleiters ist durch seinen kritischen Strom I_c gegeben. Übersteigt der elektrische Strom im Leiter den Wert von I_c, so findet ein Phasenübergang zu einem normalleitenden Zustand statt, in welchem der Strom nicht mehr widerstandslos fließt.
In einem isotropen Supraleiter hängt die Stromtragfähigkeit von der Stärke des Magnetfeldes ab, welchem er ausgesetzt ist, nicht aber von der Richtung des Magnetfeldes. Bei einem anisotropen Supraleiter hingegen wird die Stromtragfähigkeit auch vom Winkel des Magnetfeldes zum Leiter beeinflusst. Dies ist beispielsweise bei Hochtemperatursupraleitern (HTS) wie (RE)BCO oder Bi-2223 der Fall, deren zugrunde liegende Kupferoxidstruktur einen zweidimensionalen Charakter hat. So ist der kritische Strom eines HTS-Bandleiters in einem Magnetfeld, welches senkrecht zur Bandebene steht, typischerweise niedriger als in einem Feld parallel zur Bandebene.
In einer aus HTS-Bandleiter gewickelten zylindersymmetrischen Magnetspule führt dies normalerweise dazu, dass die Stromtragfähigkeit der Spule an den axialen Enden limitiert ist, da dort die Radialkomponente des Magnetfeldes am größten ist.
Im Folgenden betrachten wir eine aus anisotropem Supraleiter lagengewickelte zylindersymmetrische Magnetspule, deren Stromtragfähigkeit durch die von der Spule erzeugte Feldkomponente in radialer Richtung stärker unterdrückt ist als durch diejenige in axialer Richtung. Mit "lagengewickelt" ist gemeint, dass entlang des Supraleiters aufeinanderfolgende Windungen hauptsächlich lagenweise entlang der Symmetrieachse nebeneinander gewickelt sind, wobei einer Lage jeweils ein konstanter Radius zugeordnet werden kann. Diessteht im Gegensatz zu sogenannten Pancake-Spulen, bei denen aufeinanderfolgende Windungen hauptsächlich radial übereinander gewickelt sind.

Stand der Technik

In den Referenzen [1] und [2] wird die Stromtragfähigkeit der Spule an den axialen Enden erhöht, indem für die entsprechenden Wicklungen ein Supraleiter mit höherer Stromtragfähigkeit (größerer Leiterquerschnitt, siehe Referenz [1] oder Supraleiterart mit höherer kritischer Stromdichte siehe Referenz [2]) verwendet wird. Ein Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass in der Spule kein einheitlicher Supraleiter verwendet werden kann und dass die unterschiedlichen Leiterstücke für einen Betrieb in Serienschaltung gezwungenermaßen niederohmig verbunden werden müssen. Außerdem werden in den genannten Referenzen keine lagengewickelten Spulen betrachtet, sondern solche, die aus mehreren entlang der Achse axial positionierten Sektionen oder Pancakes bestehen.
Eine weitere bekannte Möglichkeit, die Stromtragfähigkeit zu erhöhen, ist in Referenz [3] beschrieben: Ferromagnetische Flansche an den Spulenenden leiten den magnetischen Fluss um den Supraleiter herum und reduzieren dort die maximale Radialkomponente des Magnetfeldes. Die relativ schwache Magnetisierung von Ferromagneten schränkt die Effizienz dieser Methode jedoch deutlich ein.
In Referenz [4] ist eine Anordnung offenbart, bei welcher die Windungszahl an den axialen Spulenenden reduziert ist. Allerdings handelt es sich bei dieser bekannten Spule um eine Anordnung aus mehreren Doppel-"Pancake"-Spulen und nicht um eine lagengewickelte Solenoid-Spule der eingangs definierten Art. Außerdem wird mit dieser Anordnung nicht beabsichtigt, die radiale Feldkomponente an den Spulenenden zu verringern.
Referenzen [8] bis [10]:
Bei diesen Publikationen wurde zwar erkannt, dass durch Reduzieren des Radialfeldes am Rand einer HTS Spule das Betriebsfeld im Arbeitsvolumen erhöht werden kann, doch wurden als Lösung zur Reduktion des Radialfeldes jeweils Spulen unterschiedlicher Längen vorgeschlagen. Die Erhöhung der Betriebsfelder im Arbeitsvolumen aufgrund dieser Maßnahme ist jedoch gering. Zudem sind bei den bekannten Anordnungen notwendigerweise jeweils zusätzliche Wickelkörper erforderlich.
Referenz [5] offenbart eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit mindestens einer Sektion aus supraleitfähigem Bandleiter, die in einer zylindrischen Wickelkammer zwischen zwei Endflanschen mehrlagig, solenoidartig durchgehend gewickelt ist, und die sich dadurch auszeichnet, dass die Sektion einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte bzw. Notch-Bereich aufweist.
Referenz [6] beschreibt eine supraleitende homogene Hochfeldmagnetspule, bei der im axialen Endbereich die Stromdichte derart verringert ist, dass die auf die Windungen wirkenden Kräfte klein gehalten werden können.
Die Referenz [7] offenbart eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung, die zumindest eine Sektion aus supraleitfähigem Bandleiter enthält, welche in einer zylindrischen Wickelkammer zwischen zwei Endflanschen mehrlagig, solenoidartig durchgehend gewickelt ist. Die bekannte Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Sektion einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte (= "Notch"-Bereich) aufweist. Allerdings ist die Windungszahl an den Spulenrändern gegenüber dem Inneren dieses axialen Bereichs nicht reduziert, wodurch keine Reduktion des Radialfeldes erreicht wird.
Gestufte Supraleiterspulen sind auch bekannt aus Referenz [12], wo jedoch kein randständig zusammenhängender Teil offenbart ist, oder aus Referenz [13], wo aber mit dem isolierenden Tape keine Wickellage ersetzt wird.
Aus der bereits oben zitierten Referenz [11] ist eine gattungsgemäße gestufte Spulengeometrie mit den eingangs definierten Merkmalen bekannt, bei welcher der Innendurchmesser der Wicklungen am Spulenende aufgeweitet wird, um den Einfluss der vertikalen Feldkomponente auf die kritische Stromdichte zu vermindern. Bei dieser Anordnung wird unter anderem der innere Spulenradius axial variiert, was aus verschiedenen Gründen nicht besonders vorteilhaft ist und dem entsprechenden Merkmal einer gattungsgemäßen Spule diametral entgegengesetzt ist. Außerdem ist ein Mitwickeln von nicht-supraleitendem Material in einer bezogen auf die Symmetrieachse z zylindersymmetrisch lagengewickelten Spule nicht einmal andeutungsweise offenbart.
Die ebenfalls bereits oben zitierte Referenz [0] schließlich beschreibt eine supraleitfähige, gestufte Magnetspulenanordnung, handelt aber ausschließlich von Pancake-Spulen, nicht jedoch von auf die Symmetrieachse z zylindersymmetrisch lagengewickelten Spulen, wobei auch ein Mitwickeln von nicht-supraleitendem Material nicht offenbart ist.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung der eingangs definierten Art sowie ein Verfahren zu deren Design mit besonders einfachen technischen Mitteln so zu modifizieren, dass die oben diskutierten Einschränkungen von derartigen supraleitfähigen Magnetspulenanordnungen, welche typischerweise an den axialen Enden der Spule auftreten, deutlich abgemildert werden und die Stromtragfähigkeit der Spule erheblich erhöht wird. Insbesondere soll mit der Erfindung eine generische gestufte Supraleiterspule bereitgestellt werden, die einfach herzustellen ist und minimale Lagenwechsel aufweist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird auf einfach zu realisierende, wirkungsvolle Weise mit ohne Weiteres zur Verfügung stehenden technischen Mitteln durch eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung der eingangs definierten Art gelöst, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Spule bezogen auf die Symmetrieachse zylindersymmetrisch lagengewickelt ist, wobei ein sich nur von einem axialen Spulenende erstreckender zusammenhängender Teil einer innenliegenden Wickellage mit nicht-supraleitendem Material gewickelt ist.

Wirkungsweise der Erfindung und weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Unter gewissen Umständen ist die Stromtragfähigkeit von Spulen, die aus anisotropem Supraleiter gewickelt sind, an den axialen Enden durch die Magnetfeldkomponente in radialer Richtung limitiert. Die vorliegende Erfindung schlägt eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung vor, welche es ermöglicht, diese Feldkomponente abzuschwächen und die Stromtragfähigkeit der Spule zu erhöhen.
Die Stromtragfähigkeit des Supraleiters an den axialen Spulenenden wird erhöht, indem die radiale Komponente des Magnetfeldes abgeschwächt wird. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Absenkung der Windungszahl in Bereichen an den Spulenenden erreicht, wobei sowohl der Querschnitt als auch die Art des verwendeten Supraleiters unverändert bleiben können.
Die geringere Windungszahl in der Nähe der axialen Spulenenden führt dazu, dass der radiale magnetische Fluss axial über einen größeren Bereich verteilt wird und die Radialkomponente des Magnetfeldes lokal kleiner wird. Dadurch wiederum wird dort die Stromtragfähigkeit des Supraleiters und folglich der gesamten Spule erhöht.
Ein Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der gleichmäßigeren Verteilung der Stromtragfähigkeit des Supraleiters in der gesamten Spule. Dadurch wird der Supraleiter für den Stromfluss besser ausgenutzt, die Spule kann bei einem höheren Strom betrieben werden. Die benötigte Menge an Supraleitermaterial und somit die Herstellungskosten sind folglich geringer als bei vergleichbaren herkömmlichen Anordnungen.
Andererseits kann mit derselben Supraleitermenge ein höheres Magnetfeld im Spulenzentrum erzeugt werden.
Im Gegensatz zu Anordnungen, bei welchen das Radialfeld passiv, also beispielsweise mit ferromagnetischen Elementen, beeinflusst wird, ist die erfindungsgemäße Anordnung durch die bewusste Wahl der Windungsverteilung in der Spule deutlich effizienter. Außerdem sind zur Realisierung der Anordnung keine zusätzlichen Wickelkörper notwendig, was räumlichen Platz und Materialkosten spart.
Besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist die Möglichkeit der Verwendung eines einheitlichen Supraleiters in der gesamten Spule. Sind nämlich verschiedene Supraleiter notwendig, z.B. aus unterschiedlichem supraleitenden Material oder verschiedener Geometrie, so müssen diese zwangsläufig untereinander verbunden sein, damit der elektrische Strom die Leiterstücke in Serie durchfließen kann. Das Verbinden verschiedener Supraleiter kann technisch sehr herausfordernd und aufwändig sein.
Das zusammen mit dem Supraleitermaterial zum Rand hin mitgewickelte nicht-supraleitende Material dient als Füllmaterial und trägt zur mechanischen Stabilität des Wickelpakets bei.
Insbesondere kann die Spule derart ausgelegt sein, dass das erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente B_r senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse aufweist, deren Maximum im Spulenvolumen mindestens um 5% kleiner ist als wenn, bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens, die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl im vierten Spulenbereich sowie dem Verhältnis von zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrand-windungszahl im fünften Spulenbereich entspricht, bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule, dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters in der Spule mindestens 3% höher ist als wenn, bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Arbeitsvolumen, die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl im vierten Spulenbereich sowie dem Verhältnis von zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl im fünften Spulenbereich entspricht, bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule, und dass im ersten Spulenbereich entlang der Symmetrieachse zum Rand hin zusammen mit dem Supraleitermaterial auch
Wenn bei der Magnetspulenanordnung im vierten und/oder im fünften Spulenbereich die radial aufsummierte Anzahl der Windungen entlang der Symmetrieachse z zum Rand hin in einer oder mehreren diskreten Stufen reduziert ist, kann die Radialfeldkomponente in den Spulenenden reduziert und die Stromtragfähigkeit deutlich gesteigert werden.
Alternativ kann im vierten und/oder im fünften Spulenbereich die radial aufsummierte Windungszahl entlang der Symmetrieachse z zum Rand hin quasi-kontinuierlich reduziert sein. Dies ermöglicht eine noch feinere Modellierung der Radialfeldkomponente entlang den axialen Spulenenden und eine bessere Optimierung der Stromtragfähigkeit.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Wicklungen im ersten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich aus einem einzigen ununterbrochenen Supraleiterstück gewickelt sind, d.h. ohne sogenannte Joints, welche verschiedene Leiterstücke untereinander verbinden. Somit wird der elektrische Widerstand in der Spule sehr gering gehalten. Joints zwischen HTS-Supraleitern weisen normalerweise einen gewissen elektrischen Widerstand auf und führen zu einer Drift des Magnetfeldes, wenn die Spule nicht mit einer Stromquelle gestützt wird. Joints, welche im Wickelpaket der Spule untergebracht sind, können außerdem die Feldhomogenität im Arbeitsvolumen verschlechtern. Nicht zuletzt hat das Wickeln eines einzigen Leiterstücks auch produktionstechnische Vorteile.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung zeichnen sich dadurch aus, dass der zweite Spulenbereich mit mindestens 20%, insbesondere mit 40% bis 60%, vorzugsweise mit etwa 50% weniger Leiterwindungen gewickelt ist als ein axial anschließender Spulenbereich gleicher Geometrie. Durch eine Reduktion der Windungszahl in diesem Größenbereich ist die Radialfeldkomponente an den axialen Spulenenden besonders stark reduziert und die Stromtragfähigkeit der Spule deutlich erhöht.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Klasse von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei denen das von der Spule erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente B_r senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse z aufweist, deren Maximum im Spulenvolumen mindestens um 10%, vorzugsweise um bis zu 50%, kleiner ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule. Bei einer solch starken Reduktion der Radialkomponente B_r ist die Erhöhung der Stromtragfähigkeit der Spule besonders lohnenswert.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Erfindung, die sich dadurch auszeichnen, dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters in der Spule mindestens 5%, insbesondere bis 30%, vorzugsweise bis zu 50% höher ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule. Je größer die Stromtragfähigkeit der Spule ist, umso größere Magnetfelder können erzeugt werden, bzw. umso weniger Supraleitermaterial wird zur Erzeugung einer gegebenen Feldstärke im Arbeitsvolumen benötigt.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass das mitgewickelte nicht-supraleitende Material Folieneinlagen umfasst. Folien lassen sich besonders gut zwischen den supraleitenden Windungen unterbringen und können auf einfache Weise in der gewünschten Geometrie zugeschnitten werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Reduktion der Windungszahl an den axialen Spulenenden dadurch bewerkstelligt, dass an den Spulenrändern über mehrere direkt übereinanderliegende Lagen keine Windungen gewickelt werden.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zur Auslegung einer supraleitfähigen Magnetspulenanordnung der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Art, welches sich dadurch auszeichnet, dass eine aus anisotropem Supraleiter bezogen auf die Symmetrieachse zylindersymmetrisch gewickelte Spule, bei welcher im ersten Spulenbereich entlang der Symmetrieachse zum Rand hin zusammen mit dem Supraleitermaterial auch nicht-supraleitendes Material mitgewickelt wird, wobei die Stromtragfähigkeit der Spule, welche anfänglich an den axialen Enden durch die radiale Magnetfeldkomponente begrenzt wird, durch Verringerung der Windungszahl in den axialen Endbereichen derart optimiert wird, dass ihre supraleitende Stromtragfähigkeit erhöht wird. Bei der Optimierung wird die maximale radiale Magnetfeldkomponente reduziert, indem folgende Parameter variiert werden:

die Größe der Optimierungsbereiche an den axialen Spulenenden, in welchen die Windungszahl verringert wird
die Anzahl Windungen in den Optimierungsbereichen und
die Verteilung der Windungen innerhalb der Optimierungsbereiche.

Die Optimierungsbereiche können dabei auch über die Spulenenden der Ausgangsspule hinausragen, d.h. die optimierte Spule kann axial durchaus länger sein als die Ausgangsspule. Die genaue Windungsverteilung in den Optimierungsbereichen kann ferner so gewählt werden, dass sie in Bezug auf die Kräfte im Wickelpaket und/oder wickeltechnisch vorteilhaft ist.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es zu einem Spulendesign führt, welches eine erhöhte Stromtragfähigkeit aufweist und dass die Spule für den Betrieb bei einer gegebenen Magnetfeldstärke eine insgesamt geringere Supraleitermenge benötigt wird als für die Ausgangsspule.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Schnitt-Darstellung durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung in einer die Symmetrieachse z enthaltenden Ebene mit der relativen geometrischen Anordnung der fünf definierten Spulenbereiche in einer ersten Ausführungsform (aus Symmetriegründen ist nur eine Hälfte der Spule dargestellt);
Fign. 2a-d: schematische Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsformen von Magnetspulenanordnungen; wobei Fig. 2a, Fig.2c jeweils die Wickel-Anordnung und Fig. 2b, Fig.2d jeweils die zugehörigen die Spulenbereiche einer zweiten beziehungsweise dritten Ausführungsform zeigen und nur
Fig. 2c+d: die erfindungsgemäße Magnetspulenanordnung darstellen;
Fign. 3a,b: eine schematische Wickelanordnung (Fig. 3a) sowie die zugehörigen Spulenbereiche (Fig. 3b) einer vierten Ausführungsform;
Fign. 4a,b: einen schematischen Vergleich der randseitigen Radial-Felder bei einer herkömmlichen (Fig. 4a) und bei einer erfindungsgemäß modifizierten (Fig. 4b) Magnetspulenanordnung; und
Fign. 5a,b: einen schematischen Vergleich des Verlaufs der magnetischen Feldlinien bei einer erfindungsgemäßen (Fig. 5a) und bei einer herkömmlichen (Fig. 5b) Magnetspulenanordnung nach dem Stand der Technik.

Figur 1 veranschaulicht schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung.
Im Wickelpaket der Spule sind die Spulenbereiche 1 bis 5 innerhalb des rechteckigen Spulenquerschnitts definierbar, die den bestimmten, erfindungsgemäßen Anforderungen genügen, wie im Folgenden beschrieben wird.
Die Windungszahl an den axialen Enden der Spule ist reduziert, daher ist mindestens eine Wickellage nicht mit Supraleiter vollgewickelt. Folglich lässt sich ein erster radial begrenzter rechteckiger Spulenbereich 1 definieren, welcher den Spulenquerschnitt radial teilweise und entlang der Symmetrieachse z vollständig überdeckt und keine vollgewickelte Wickellage enthält. Der erste Spulenbereich 1 enthält zudem zwei Unterbereiche, welche die Reduktion der Windungszahl an einem axialen Ende des ersten Spulenbereichs charakterisieren: Ein zweiter Spulenbereich 2, der vom Spulenrand her den ersten Spulenbereich 1 entlang der Symmetrieachse auf 10% seiner Länge überdeckt, und ein dritter Spulenbereich 3, der an den zweiten Spulenbereich 2 anschließt und den ersten Spulenbereich 1 entlang der Symmetrieachse auf 40% seiner Länge überdeckt. Der zweite und dritte Bereich 2, 3 sind dadurch ausgezeichnet, dass die Anzahl Windungen im zweiten Spulenbereich 2 mindestens viereinhalbmal kleiner ist als jene im dritten Spulenbereich 3.
Die Reduktion der Windungszahl an den axialen Spulenenden führt in der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung zu einer Reduktion der maximalen Radialfeldkomponente und infolgedessen zu einer Erhöhung der Stromtragfähigkeit, welche durch den Vergleich mit einer modifizierten Anordnung charakterisiert sind. Dazu werden ein vierter Spulenbereich 4 und ein fünfter Spulenbereich 5 definiert, welche den Spulenquerschnitt radial komplett und axial von je einem der beiden Spulenränder her 10% entlang der Symmetrieachse z überdecken. In der Vergleichsanordnung sind der vierte und der fünfte Spulenbereich 4, 5 entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt, sodass bei gleichbleibender Supraleitermenge keine weiteren Windungen mehr Platz finden würden. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich nun dadurch aus, dass ihre maximale Radialfeldkomponente mindestens um 5% kleiner und ihre Stromtragfähigkeit um mindestens 3% größer ist als in der Vergleichsanordnung.
Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Spulenanordnung beschrieben und mit einer herkömmlichen Spule mit folgenden Eigenschaften verglichen:

Geometrie des anisotropen Supraleiters: 2 mm x 0.2 mm (Querschnitt)
Radius des radial inneren Spulenrandes: 20 mm
Radius des radial äußeren Spulenrandes: 36 mm
Spulenlänge in axialer Richtung: 192 mm (96 Windungen pro Wickellage)
Anzahl Wickellagen: 80; alle Lagen sind vollgewickelt.

Die erfindungsgemäße Spulenanordnung ist aus demselben Supraleiter gewickelt und durch folgende Eigenschaften charakterisiert:

Radius des radial inneren / äußeren Spulenrandes: 20 mm / 32.8 mm Spulenlänge 240 mm
64 Lagen alternierend vollgewickelt (120 Windungen) - nicht vollgewickelt (z.B. gemäß schematischer Darstellung Fig. 2a), wobei jede nicht vollgewickelte Lage beginnend vom einen Spulenrand entlang der Symmetrieachse wie folgt aufgebaut ist:
48 mm ohne Windungen, 144 mm mit 72 Windungen, 48 mm ohne Windungen.

Zur Überprüfung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Spulenanordnung kann als erster Spulenbereich 1 eine beliebige nicht vollgewickelte Lage (z.B. die radial innerste) definiert werden. Der darin enthaltene dritte Spulenbereich 3 beinhaltet dann 84 und somit 7mal (also mehr als viereinhalbmal) so viele Windungen wie der zweite Spulenbereich 2 mit 12 Windungen. Weiter erhält man nach Verkürzung des vierten bzw. fünften Spulenbereichs 4,5 gemäß der Erfindungsbeschreibung die Vergleichsspule, welche in der folgenden Tabelle aufgeführt ist:

	herkömmlich	erfindungsgemäß	Vergleich
Magnetfeld	4.7 T	4.7 T	4.7 T
Betriebsstrom	97.4 A	122.0 A	121.9 A
Supraleiterlänge	1351 m	1019 m	1019 m
max. Radialfeld	1.8 T	1.0 T	1.7 T
Stromtragfähigkeit	100.5 A	125.2 A	107.9 A
Stromauslastung	97%	97%	113%

Das maximale Radialfeld der erfindungsgemäßen Spulenanordnung ist um rund 40% kleiner als dasjenige der Vergleichsspule. Entsprechend ist die Stromtragfähigkeit um 16% erhöht.
Im Vergleich zur herkömmlichen Spule kann die im Beispiel berechnete erfindungsgemäße Spule dank der erhöhten Stromtragfähigkeit bei einem höheren Strom betrieben werden. Für die Erzeugung desselben Feldes im Arbeitsvolumen (4.7 T) und bei gleicher Stromauslastung (Verhältnis Betriebsstrom zu Stromtragfähigkeit) reduziert sich die zum Wickeln benötigte Supraleitermenge um 25%.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen Ausführungsformen, bei welchen alle Windungen im ersten Spulenbereich aus einem einzigen ununterbrochenen Supraleiterstück gewickelt sind. Die kontinuierlichen Linien im Wickelpaket der Figuren 2a und 2c stellen schematisch den Supraleiter dar, und die gestrichelten Linien nicht-supraleitendes Füllmaterial. In den Figuren 2b und 2d sind die den Figuren 2a und 2c entsprechenden Spulenbereiche 1';1" 2';2" 3';3" sowie 4 und 5, respektive, dargestellt.
Der Spulenbereich 1' (Fig. 2b) beinhaltet beispielsweise die radial drittinnerste, nicht vollgewickelte Lage.
Der Spulenbereich 1" (Fig. 2d) beinhaltet erfindungsgemäß die drei radial innersten, nicht vollgewickelten Lagen.
Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Ausführungsform, bei welcher die Reduktion der Windungszahl an den axialen Spulenenden dadurch erreicht wird, dass an den Spulenrändern über mehrere direkt übereinanderliegende Lagen keine Windungen gewickelt werden. Die kontinuierlichen Linien im Wickelpaket der Figur 3a stellen schematisch die Lagenbereiche dar, welche mit Supraleiter gewickelt sind. In der Figur 3b sind die in der Figur 3a entsprechenden Spulenbereiche 1‴ 2‴ 3‴ sowie 4 und 5 dargestellt.
Es ist zu beachten, dass die axialen Grenzen der Spulenbereiche 2 bis 5 nicht unbedingt den Grenzen zwischen vollgewickelten und nicht vollgewickelten Bereichen in der Spule entsprechen müssen.
Die Figuren 4a und 4b zeigen in einer Gegenüberstellung die randseitigen Radial-Felder bei einer herkömmlichen und bei einer erfindungsgemäß modifizierten Magnetspulenanordnung. Dargestellt sind jeweils zylindersymmetrische Magnetspulen (Schnitt durch eine die Symmetrieachse z enthaltende Ebene) sowie die Isofeldlinien der Radialkomponente des Magnetfeldes. Die äußerste Linie entspricht 0.25 T, und mit jeder Linie Richtung Maximum nimmt das Feld um 0.25 T zu.
Bei der erfindungsgemäß modifizierten Anordnung in Fig. 4b ist die Windungszahl an den axialen Enden reduziert. Bei der in Fig. 4a gezeigten herkömmlichen Anordnung nach dem Stand der Technik ist eine Referenzspule mit homogener Windungszahl dargestellt, die den gleichen Innen- und Außenradius wie die erfindungsgemäße Anordnung aufweist, wobei die Spulenlänge entlang der Symmetrieachse so gewählt ist, dass dieselbe Leitermenge wie bei der erfindungsgemäßen Spule gewickelt ist. In der herkömmlichen Magnetspulenanordnung erreicht das maximale Radialfeld eine Stärke von ungefähr 1.75 T, während dieses bei der erfindungsgemäßen Anordnung bei gleicher Magnetfeldstärke im Zentrum des Arbeitsvolumens nur ca. 1.0 T beträgt.
Bei gleicher Stromauslastung, aber höherem Strom, erzeugt die erfindungsgemäße Spule in ihrem Zentrum ein größeres Magnetfeld als die herkömmliche Referenzspule, da ihre Stromtragfähigkeit größer ist als diejenige der Referenzspule.
In den Figuren 5a und 5b schließlich sind die Feldlinien des jeweils erzeugten Magnetfeldes bei einer zylindersymmetrischen erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung (Fig. 5a) beziehungsweise bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik (Fig. 5b) in einem schematischen Schnitt durch eine die Symmetrieachse z enthaltende Ebene dargestellt.
Bei der in Fig. 5a dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung, ist die Windungszahl des Supraleiters an den axialen Randbereichen gegenüber dem zentralen Bereich reduziert. Die Feldlinien stellen den magnetischen Fluss dar, wobei deren Dichte der magnetischen Feldstärke entspricht. Aufgrund der stufenweise reduzierten Windungszahl verteilt sich der um die Spulenenden fließende magnetische Fluss über in axialer Richtung längere Randbereiche und ist deutlich verdünnt. Die magnetische Feldstärke weist folglich eine relativ kleine Komponente in radialer Richtung auf (Pfeile).
Fig. 5b zeigt eine zylindersymmetrische Spule mit homogener (voller) Stromdichte nach dem Stand der Technik mit einer konstanten Windungszahl entlang der Symmetrieachse. Im Vergleich zur erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 5a sind die axialen Enden zur Spulenmitte hin verkürzt, so dass die Gesamtwindungszahl der Spule gleich groß ist. Außerdem erzeugt die bekannte Spule im Zentrum dieselbe Feldstärke wie die erfindungsgemäße Spule. Wegen der abrupt abfallenden Windungszahl konzentriert sich der magnetische Fluss jedoch an den axialen Spulenrändern. Diese
Flusskonzentration führt zu einer größeren radialen Magnetfeldkomponente mit einem Maximum an diesen Stellen (Pfeile).
Fig. 5a zeigt im Vergleich dazu eine erfindungsgemäße Spule, bei welcher die Stromdichte an den axialen Enden reduziert wurde. Die Magnetfeldstärke, die der Dichte der Feldlinien entspricht, ist an den Enden der erfindungsgemäßen Spule deutlich reduziert.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht unter anderem in der gleichmäßigeren Verteilung der Stromtragfähigkeit des Supraleiters in der gesamten Spule. Dadurch wird der Supraleiter besser ausgenutzt und die Spule kann bei einem höheren Strom betrieben werden. Die benötigte Supraleitermenge und damit die Materialkosten sind geringer bzw. mit derselben Supraleitermenge kann ein höheres Magnetfeld im Spulenzentrum erzeugt werden.
Besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist die Verwendung eines einheitlichen Supraleitermaterials in der gesamten Spule.

Bezugszeichenliste:

1; 1′; 1ʺ; 1‴: erster radial begrenzter rechteckiger Spulenbereich
2; 2′; 2ʺ; 2‴: zweiter radial begrenzter rechteckiger Spulenbereich
3; 3′; 3ʺ; 3‴: dritter radial begrenzter rechteckiger Spulenbereich
4: vierter rechteckiger Spulenbereich
5: fünfter rechteckiger Spulenbereich
z: Symmetrieachse der Magnetspulenanordnung

Referenzliste:

Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften

[0] CHEN, X.Y., JIN, J.X.: Evaluation of Step-Shaped Solenoidal Coils for Current-Enhanced SMES Applications. IEEE Transactions an Applied Superconductivity, Vol. 24, 2014, No. 5, S. 1-4. IEEE Xplore [online]. D01: 10.1109/TASC.2014.2356572
[1] US-A 5,525,583
[2] US 2015/0213930 A1
[3] US-A 5,659,277
[4] US-A 5,581,220 .
[5] DE 102004043987 B3
[6] DE 39 23 456 C2
[7] DE 10 2004 043 988 B3
[8] " Factors determining the magnetic field generated by a solenoid made with a superconductor having current anisotropy", M. Däumling and R. Flükiger, (1995) Cryogenics, Vol. 35. pp. 867-870
[9] " Effects of conductor anisotropy on the design of BiSCCO sections of 25 T solenoids", H.W. Weijers et al. (2003), Supercond. Sci. Technol. Vol. 16, pp. 672-681
[10] " Radial magnetic field reduction to improve critical current of HTS solenoid", J. Kang et al, Physica. C., 2002, vol. 372-76 (3), pp. 1368-1372.
[11] JP H06- 5 414 A
[12] JP S61 65411 A
[13] US 5914647 A

Claims

Supraleitfähige, gestufte Magnetspulenanordnung mit einer hohlen Spule mit konstantem Innenradius zur Erzeugung eines Betriebsmagnetfeldes in einem Arbeitsvolumen um eine Symmetrieachse (z), wobei die Spule Wicklungen aus einem anisotropen Supraleiter umfasst, dessen supraleitende Stromtragfähigkeit in einem Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung im Leiter sowohl von der Feldamplitude als auch von der Feldrichtung innerhalb einer Ebene senkrecht zur Stromrichtung abhängt, wobei die radial aufsummierte Anzahl der Windungen entlang der Symmetrieachse (z) zum Rand hin in diskreten Stufen oder quasi-kontinuierlich reduziert ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spule bezogen auf die Symmetrieachse (z) zylindersymmetrisch in mehreren Lagen gewickelt ist, wobei ein sich nur von einem axialen Spulenende erstreckender zusammenhängender Teil einer innenliegenden Wickellage mit nicht-supraleitendem Material gewickelt ist.
Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ersten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich (1; 1′ 1ʺ; 1‴) enthält, welcher den Spulenquerschnitt entlang der Symmetrieachsenrichtung vollständig überdeckt und keine in axialer Richtung vollgewickelte Lage enthält, und die Wicklungen im ersten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich (1; 1′; 1ʺ; 1‴) aus einem einzigen ununterbrochenen Supraleiterstück gewickelt sind.
Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich (2; 2′; 2ʺ; 2‴) innerhalb des ersten Spulenbereichs (1; 1′ 1ʺ; 1‴) enthält, welcher den ersten Spulenbereich (1; 1′; 1ʺ; 1‴) radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung zu 10% überdeckt und den axial ersten oder zweiten Spulenrand einschließt, und der zweite Spulenbereich (2; 2′; 2ʺ; 2‴) mit mindestens 20% weniger Leiterwindungen gewickelt ist als ein axial anschließender Spulenbereich gleicher Geometrie.
Spulenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spulenbereich (2; 2′; 2ʺ; 2‴) mit 40% bis 60% weniger Leiterwindungen gewickelt ist als ein axial anschließender Spulenbereich gleicher Geometrie.
Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spulenbereich (2; 2'; 2"; 2‴) mit etwa 50% weniger Leiterwindungen gewickelt ist als ein axial anschließender Spulenbereich gleicher Geometrie.
Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen vierten und fünften rechteckigen Spulenbereich (4 bzw. 5) enthält, innerhalb des Spulenquerschnitts, welche den Spulenquerschnitt radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung je zu 10 % überdecken und den axial ersten bzw. zweiten Spulenrand einschließen mit einer ersten und zweiten Spulenrandwindungszahl, gegeben durch die Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters im vierten bzw. im fünften Spulenbereich (4 bzw. 5) und mit einer maximalen Spulenrandwindungszahl, gegeben durch den Quotienten aus der Querschnittfläche des vierten oder fünften Spulenbereichs (4 bzw. 5) und der Querschnittfläche des anisotropen Supraleiters, und das von der Spule erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente B_r senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse (z) aufweist, deren Maximum im Spulenvolumen mindestens um 10% kleiner ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs (4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
Spulenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Spule erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente B_r senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse (z) aufweist, deren Maximum im Spulenvolumen um bis zu 50%, kleiner ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs (4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters entlang der Leitertrajektorie in der Spule mindestens 5% höher ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs (4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
Spulenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters entlang der Leitertrajektorie in der Spule bis 30% höher ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs (4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
Spulenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters entlang der Leitertrajektorie in der Spule bis zu 50% höher ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs (4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
Verfahren zur Auslegung einer supraleitfähigen Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer supraleitfähigen Magnetspulenanordnung mit einer aus anisotropem Supraleiter bezogen auf die Symmetrieachse (z) zylindersymmetrisch lagengewickelten Spule, bei welcher im ersten Spulenbereich (1; 1′; 1ʺ; 1‴) entlang der Symmetrieachse (z) zum Rand hin zusammen mit dem Supraleitermaterial auch nicht-supraleitendes Material mitgewickelt wird, wobei die Stromtragfähigkeit der Spule an den axialen Enden durch die radiale Magnetfeldkomponente begrenzt wird, durch Verringerung der Windungszahl in den axialen Endbereichen der Spule (="Optimierungsbereiche") die maximale radiale Magnetfeldkomponente reduziert wird, wobei durch Variation der Parameter
- Größe der Optimierungsbereiche, in welchen die Windungszahl verringert wird

- Anzahl Windungen in den Optimierungsbereichen

- Verteilung der Windungen innerhalb der Optimierungsbereiche die supraleitende Stromtragfähigkeit der Spule erhöht wird.