WO2017037259A1 - Coil device with persistent current switch - Google Patents

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WO2017037259A1
WO2017037259A1 PCT/EP2016/070764 EP2016070764W WO2017037259A1 WO 2017037259 A1 WO2017037259 A1 WO 2017037259A1 EP 2016070764 W EP2016070764 W EP 2016070764W WO 2017037259 A1 WO2017037259 A1 WO 2017037259A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
conductor
switchable
coil
superconducting
coil device
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/070764
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Tabea Arndt
Marijn Pieter Oomen
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/006Supplying energising or de-energising current; Flux pumps
    • H01F6/008Electric circuit arrangements for energising superconductive electromagnets

Definitions

  • the present invention relates to a coil device having at least one electrical coil winding with superconducting conductor material, wherein the coil winding is part of a self-contained circuit for forming a continuous current, and wherein the closed circuit has a permanent current switch with a switchable conductor section which between a superconducting state and a normal conducting state is switchable. Furthermore, the invention relates to a continuous current switch for such a coil device and a method for loading or unloading a continuous current in a coil winding of such a coil device.
  • SMES superconducting magnetic energy storage
  • the present invention is concerned with the specific probing of loading and unloading of the current flowing in such coils.
  • a superconducting persistent current switch is typi cally ⁇ integrated into the closed circuit.
  • Such permanent current switch comprises a superconducting conductor portion which can be displaced by heating the pitch to a resistive conducting state at ⁇ . If the coil is simultaneously connected to a power source in an external circuit, it can be charged with an open permanent-current switch.
  • Discharging the current flowing in the closed circuit through the coil winding current can be triggered intentionally or unintentionally.
  • An intentional unloading can be done by a
  • Opening the persistent current switch are triggered, and the Spu ⁇ le can be connected to an external circuit, in which the previously flowing through the closed circuit current can at least partially discharge.
  • This can be used, for example, to retrieve the energy stored in an SMES.
  • the electromagnetic energy stored in the coil is completely dissipated as heat in the area of the persistent current switch. This heat could destroy the switch in large magnet systems. Such an opening of the switch without an external circuit is therefore to be avoided there.
  • Discharging the coil can also be triggered in other ways than by controlled opening of the permanent-current switch:
  • a local temperature increase in the coil winding can lead to the superconducting properties of the entire coil winding starting from this region. men mecanic.
  • the superconducting properties of the entire coil winding can break down, which is referred to as "quench.”
  • quench Such a quench can spread rapidly due to the thermal coupling of the various regions Typically, all of the helium will evaporate in such a quench, resulting in relatively high costs and failure in the useful life of the system In order to avoid damage to the superconducting conductor elements by locally overheating the conductors, the rapid propagation of such quench may even be promoted .
  • a local overheating can be detected, and other preparation ⁇ che the coil winding can then also be intentionally brought to quenching, so that the current flow collapses as soon as possible and no damage to the first locally heated semiconductor region occurs.
  • D This ti method is used üb ⁇ SHORT- in magnetic coils to protect the conductors from permanent overheating.
  • an emergency stop switch in order to enable a rapid shutdown of the magnetic field generated by the coil in the event of a fault of the coil device.
  • one of the coils can be heated intentional ⁇ Lich example, to trigger a collapse of the superconductivity in the entire coil winding in the sequence.
  • a disadvantage of the described prior art is that in the discharge and quenching processes, a high part of the energy stored in the coil winding is dissipated as heat in the region of the coil winding. This can lead to unnecessary loss of expensive coolant, loss of energy and / or thermal stress on the sensitive superconducting conductor materials. Particularly in the case of magnetic resonance coils, the loss of the liquid helium in such quenching processes is a high cost factor. With SMES storage reels, the loss of stored ones is the most important Energy disadvantageous when a part of it is lost by quenching or controlled discharge as heat in the coil winding.
  • Another disadvantage of the known persistent current switch is that the switching time for the opening of the switch is relatively slow and thus discharging the energy into an external circuit can be done only slowly. This, too, can lead to higher losses and higher heat development in the coil winding than would be the case with a faster discharge.
  • Object of the present invention is therefore to provide a coil device which avoids the disadvantages mentioned.
  • a continuous current switch is to be specified with which a reduction in the dissipation of heat in the region of the electrical coil winding can be achieved.
  • Another object is to provide such a continuous current switch for such a coil device and a method for loading or unloading a continuous current.
  • the closed circuit has a persistent current switch with a switchable conductor section which is switchable between a superconducting state and a normal conducting state.
  • the switchable conductor section has a high-temperature superconducting conductor and has a resistance of at least 300 ohms in the normal conducting state of the conductor.
  • the switchable conductor section is a Abklingwiderstand of at least 50 ohms and / or a consumer with an effective resistance of at least 50 ohms parallelge ⁇ switches.
  • HTS high-temperature superconductor or high-T c - superconductor
  • the critical temperature of these superconductors is even above 77 K, so that the operating tempera ⁇ ture can be achieved by cooling with other cryogenic materials as liquid helium.
  • An advantage of high-temperature superconductors compared with many metallic low-temperature superconductors for use in said persistent current switch is that they often have a relatively high resistance in the normal conducting state and thus that the continuous current switch in the open state can also be made relatively resistant to breakdown.
  • the continuous-current switch has a decay resistance of at least 50 ohms or a corresponding load connected in parallel with it.
  • An essential advantage of this parallel current path is that, when the permanent current switch is opened, a large part of the electrical energy is diverted into this parallel current path and thus this part is not dissipated as heat in the coil winding or in the permanent current switch.
  • the Abing resistance or the effective resistance of the consumer is at least 50 ohms large enough to avoid Abflie ⁇ Shen the continuous current in this parallel-connected current path in the closed state of the persistent current switch, because then the current in the almost resistance-free closed superconducting Current path of the coil winding and the continuous current switch flows.
  • the resistance of the persistent current switch of at least 300 ohms in the normal, that is opened, causes a state that flows in the open state of the persistent current switch, the current to the RESIZE ⁇ ßeren part about the Abklingwiderstand or the consumer, and only to a lesser extent on the normal conducting conductor portion of the permanent current switch.
  • an energy loss within the closed circuit ⁇ ge of the coil winding and the continuous current switch is advantageously reduced.
  • the persistent current switch according to the invention is designed for a coil device according to the invention.
  • the inventive method is used for loading or unloading a continuous current in a coil device according to the invention.
  • the switchable conductor section of the permanent ⁇ current switch is switched from a superconducting state to a normal conducting state.
  • the advantages of this method are analogous to the advantages of the coil device described above.
  • Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1 and the following description.
  • the described embodiments of the coil device, the Dauerstrom- switch and the method can be combined miteinan ⁇ generally advantageous.
  • the coil means may comprise a cryostat for cooling the superconducting conductor material, wherein the superconductors tend coil winding and the switchable conductor portion are disposed in ⁇ nergur of the cryostat.
  • the Abklingwiderstand and / or the consumer is then advantageously arranged outside the cryostat.
  • the cryostat With the help of the cryostat, the superconducting conductor materials of the coil winding and the switchable conductor section can be cooled to a temperature below the transition temperature of the respective superconductor, so that a continuous superconducting closed circuit can be obtained.
  • the cryostat can be, for example, an open bath cryostat from which the coolant used can optionally evaporate.
  • it may also be a cryostat with a closed coolant circuit, in which a coolant is either liquefied or can change between a liquid and a gaseous (or supercritical) state.
  • a coolant is either liquefied or can change between a liquid and a gaseous (or supercritical) state.
  • the arrangement of the Abklingwiderstands or consumer outside the cryostat advantageously has the effect that the transferred during a discharge of the coil winding in the Abklingwiderstand or the consumer energy does not contribute to a heating of the interior of the Kryosta- th.
  • a maintenance of the cooling and the superconducting operating state for the components arranged within the cryostat is thereby also made possible during the unloading of the coil.
  • the switchable conductor portion may have a resistance which is larger of the Abklingwiderstand and / or the consumer advantageous normallei ⁇ conducting condition of the conductor.
  • the main advantage of this embodiment is that after an opening of the persistent current switch, a greater part of the energy previously stored in the coil winding is dissipated via the Abklingwiderstand and / or the consumer and only a comparatively smaller part is dissipated in the region of the persistent current switch. Even a majority of the energy in the area of decay resistance and / or consumers is particularly advantageously dissipated.
  • the resistance of the switchable conductor section in its normal conducting state can be greater than a total resistance of the parallel current path having the decay resistance and / or the load.
  • the resistance of the switchable conductor section may be, for example, at least a factor of 5, in particular by at least a factor of 20 higher than the total resistance of the parallel current path in the normally-conductive state.
  • the switchable conductor portion may have in the normal conducting state of the conductor to ⁇ a resistivity of at least 1000 ohms, particularly at least 5000 ohms.
  • a resistivity of at least 1000 ohms particularly at least 5000 ohms.
  • Such high resistances are particularly advantageous in order to implement a particularly high, in particular a majority, part of the energy previously stored in the coil winding in the area of the decay resistance and / or of the load and only a small dissipation of energy in the region of the coil winding and / or or the permanent current switch to verursa ⁇ chen.
  • the higher resistance values of at least 5000 ohms are particularly advantageous in connection with the application in SMES systems, since there only a particularly small proportion is to be dissipated in the region of the coil winding.
  • ⁇ stand of the open persistent current switch is generally advantageous: For example, when a voltage of about 20 kV is applied during the decay time, a leakage current of at least 1 MOhm in the open ⁇ th state only about 0.02 A come about. This will be done during the a short-term power of only 400 W is dissipated in the continuous current switch, which the permanent-current switch can advantageously endure for the duration of the switching.
  • the switchable conductor portion in the normal stand to ⁇ of the conductor may have a generally advantageous fürschlagfes ⁇ ACTION for voltages of at least 20 kV. This can achieve that does not occur even during scarf ⁇ least, so especially during the transition from superconductivity Tenden in the normal state of the switchable conductor section to a flashover and the shorted continuous current can be switched off controlled.
  • a dielectric strength of at least 20 kV is appropriate to ⁇ particular for solenoid coils for magnetic resonance imaging, since very high local stresses at the persistent current switch can come about by the very high magnetic fields and very high continuous current during switching.
  • the resistance of the switchable conductor portion in the normal conducting state and its thermal coupling to the other components can be chosen so that the remaining leakage current, the continuous current switch at the maximum voltage occurring at a temperature in the range below 320 K. heated.
  • the distance of the switchable conductor section should generally be long enough to achieve the required resistance in the normal conducting state.
  • the cross section of the conductor section should be large enough to reach the current carrying capacity required for the respective continuous current.
  • the switchable conductor section may comprise a ceramic high-temperature superconductor.
  • a ceramic material has a high dielectric strength can it be enough ⁇ particularly well.
  • metallic low-temperature superconductors with such a ceramic material also a high resistance in the open state of the switch can be easily achieved.
  • this conductor section has no continuous metallic conductive elements.
  • the ceramic superconducting material is deposited as a layer on a carrier, it is therefore advantageous if this carrier is not metallic, but is formed from poorly conductive or non-conductive materials such as glass, ceramic and / or composite materials.
  • the conductor section can also have a ceramic superconducting conductor element present in bulk, that is to say in a solid form. If the superconducting ceramics are too high or too undefined resistance to the demands of continuous current scarf ⁇ ters, then a relatively poorly conducting paralleling stand parallel. Such a resistance can, for example, values in the range between 0.3 kOhm and
  • the switchable conductor section may comprise a material of the BaKBiO type.
  • a material to be understood which is present as the compound of these four elements, in particular the compound of the composition Ba x to ⁇ K y Bi03, wherein, for example, x is about 0.6 and y may be about 0.4.
  • This is a ceramic superconducting material, which is characterized by one for a
  • HTS material is ⁇ rich in comparatively low transition temperature in the loading of about 30 K and a relatively low upper critical magnetic field of approximately 60 mT.
  • the upper critical magnetic field strength B C 2 for the superconducting material of the switchable conductor section may be below or at 100 mT.
  • Such a low kriti ⁇ specific magnetic field strength B C 2 causes the shiftable LEI terabêt can be easily switched by a change of a locally we ⁇ kenden magnetic field.
  • the upper critical magnetic field strength B in the range C 2 Zvi ⁇ rule 40 mT and 80 mT may be.
  • the transition temperature for the superconducting material of the switchable conductor section is at most 50 K, for example between 25 K and 35 K. Such a relatively low transition temperature for a high-temperature superconductor causes the switchable conductor section to be easily switched by local heating.
  • a superconducting material with a jump can in principle also similarly be temperature used below 25 K for the switchable conductor region, provided they are in this material is a ceramic material which is therefore not metal ⁇ cally conductive .
  • An operating temperature for the superconducting state of the switchable conductor section can advantageously be between 4 K and 40 K. With such an operating temperature can be achieved that the conductor section can be brought into the normal ⁇ conductive state by a relatively small increase in temperature and / or a relatively small increase in a locally acting magnetic field. Particularly advantageously, the operating temperature of the superconducting state of the switchable conductor section between 10 K and 25 K.
  • the switching time for switching the switchable Kirab ⁇ section from the superconducting to the normally conducting state can advantageously be at most 0.5 s, in particular at Hoechsmann ⁇ least 0 , 1 s lie.
  • Such a short opening time has the advantage that, for a discharge of the superconducting coil, a high proportion of data stored in the coil electrical energy to the Abklingwiderstand or Ver ⁇ consumers is transmitted and is thus not dissipated at constant current scarf ⁇ ter or the coil winding.
  • the electric Coil winding are discharged and still remain essentially in the superconducting state, for example, after a local heating, the opening of the persistent current switch takes place fast enough that only a small proportion of the stored energy is dissipated in the coil winding and thus remain the remaining portions of the coil winding supra ⁇ conductive ,
  • the locally heated area can quickly reach its operating temperature after such a rapid unloading. For example, very quickly return back to its original operating state ⁇ a magnetic coil of a magnetic resonance apparatus according to such a local heating and a subsequent discharge of the coil when there is no quenching of the magnet coil and thus no complete evaporation of the surrounding liquid helium around takes place. This reduces downtime and coolant consumption.
  • the system can be remotely restarted, and after a complete quench usually required visit of a service technician to refill the helium can be omitted.
  • the persistent current switch need not be designed for sudden discharge upon local heating of the coil winding, it is sufficient if the switch opens fast enough to allow controlled discharge of the current to the decay resistance. and / or to the consumer. So if in a magnetic resonance coil no sudden quench must be prevented, but only a controlled discharge or shutdown of the system is to be made possible, a switch opening time of up to 10 s may be sufficient. This is the case even in SMES systems or excitation coils of electric machines, which typically do not ge with such sudden quenching processes ⁇ expects to be and when unloading not as large amounts of energy must be dissipated as Magnetreso ⁇ nanzsystemen.
  • the coil device may have a further magnetic coil for generating a local magnetic field B ext for switching the switchable conductor section.
  • an opening of the permanent current switch may be effected by a turning of such a magnetic coil by ext by the Mag ⁇ netfeld B exceeding the upper critical magnetic field strength B ⁇ C 2 of the superconductive material of the permanent current switch is effected.
  • the opening of the persistent current switch can in principle be effected solely by a change in the lo ⁇ cal magnetic field or by a combination of magnetic and thermal switching.
  • the magnetic field of the further magnet coil can also be an already superimposed pre handenen magnetic field thereby to generate a magnetic field B ext with which the magnetic field strength exceeded B C 2 who can ⁇ .
  • the coil means may comprise a switchable arranged around the conductor portion with a shielding shorted ⁇ closed in itself current path, the short-circuited current path can be opened by a switchable portion of the conductor from ⁇ screen coil.
  • the closed current path of the shielding coil can be opened via this further switchable conductor section, which considerably reduces the magnetically shielding effect.
  • a magnetic background field which was previously largely shielded by the shielding, on the switchable conductor area of the persistent current switch act and this brin ⁇ gene by exceeding its upper critical magnetic field strength B C 2 in its normal conducting state, so open the persistent current switch.
  • the coil means may be copy in the coil means, for example, a Magnetspu ⁇ len adopted for generating a magnetic field in a magnetic resonance imaging apparatus or Magnetresonanzspektros-.
  • it can be an excitation coil device for generating an electromagnetic exciter field in a rotating electrical machine.
  • it may, for example, be a magnetic coil device for storing energy in a superconducting magnetic energy store (SMES).
  • SMES superconducting magnetic energy store
  • the basic idea of the present invention is suitable for all systems in which a continuous current flows in a short-circuited superconducting coil system.
  • the superconducting conductor material of the coil winding may in principle be a different material than the superconducting material of the switchable conductor section.
  • the material of the coil winding can also magnesium diboride aufwei ⁇ sen or it may be a metallic superconductor, so for example, a system based on NbTi or Nb3Sn material.
  • the superconducting material of the coil winding and the persistent current switch may also be identical or at least have the same components.
  • the SPU ⁇ lenwicklung may also have another ceramic HTS material than the persistent current switch, for example a material of the type REBa 2 Cu 3 O x (short REBCO), where RE stands for a Ele ⁇ element of the rare earths or a mixture of such elements.
  • RE stands for a Ele ⁇ element of the rare earths or a mixture of such elements.
  • these materials for the closed circuit must be superconducting or with a minimum of gene connection resistance are interconnected.
  • Superconducting connections between a ceramic superconductor and an NbTi-based conductor are already known from the prior art. Due to the large coherence length of NbTi, such superconducting compounds are relatively easy to produce.
  • a solid ceramic superconductor can be provided with holes that are filled for contacting with NbTi filaments and superconducting solder.
  • a contact can be created via a press sintering.
  • a magnetic field B ex t acting at the location of the switchable conductor section can be changed for switching over.
  • This change can be effected, for example, by switching a magnetic coil on or off or by breaking or joining a magnetic shielding coil.
  • opening of the switch can be effected by heating the switchable region, or closure of the switch can be effected by removal of the heating.
  • the persistent current switch can be switched either magnetically or thermally or by a combination of both methods.
  • the continuous current switch is generally opened for loading or unloading the coil winding and closed for operation of the coil winding in the continuous current mode.
  • the discharging of the continuous current can for example be selectively eliminated from ⁇ if a local heating is detected in the coil winding.
  • the discharge can also be triggered manually or otherwise controlled by a control unit, in ⁇ example, in a controlled shutdown of the system, in the removal of stored energy in an SMES system or even when pressing an emergency stop switch.
  • Figure 2 shows a schematic equivalent circuit diagram of a Spulenein ⁇ device according to a first embodiment
  • Figure 3 shows a schematic equivalent circuit diagram of a Spulenein ⁇ direction according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the dependency of the upper critical magnetic field strength on the temperature for a persistent current switch according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a persistent current switch according to a fourth exemplary embodiment
  • Figure 6 shows a persistent current switch according to a fifth embodiment
  • Figure 7 shows a persistent current switch according to a sixth embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic equivalent circuit diagram of an SPU ⁇ len sexual 1 according to the prior art is shown. Shown is a superconducting coil winding 3, which is arranged together with a persistent current switch 6 within a cryostat 11. By the cryostat, the superconducting conductor elements of the coil winding 3 and the Treasurestromschal ⁇ ters 6 to a temperature below their respective jump temperature to be cooled. About the coil winding 3 and the persistent current switch 6, a closed circuit 5 is formed in which a continuous current I i can flow almost lossless due to the supra ⁇ conductive properties and thus does not decay or only extremely slowly over time.
  • the coil device 1 may be, for example, punching han ⁇ a magnet coil means of a magnetic resonance apparatus.
  • the hitherto described part of the closed circuit to an external power source 13 may be connected ⁇ the in such a way that this current source is connected in parallel with the continuous current ⁇ switch 6.
  • the current source 13 is in this case arranged outside the cryostat 11. It can be electrically connected via a switch 10 with the other components.
  • the continuous current switch is opened, that is, it is set from its superconducting state to a normal conducting state, whereby its line resistance increases greatly.
  • a discharging of the coil device 1 shown in FIG. 1 can be triggered, for example, by a Lei ⁇ terabêt of the coil winding 3 is locally heated and there- through normal conducting becomes. According to the state of the art, such a region spreads rapidly and leads to a quenching of the entire coil, whereby the coil winding 3 is strongly heated. Controlled discharge into the parallel loading circuit external to the cryostat, similar to loading, would also be theoretically possible, but the known persistent current switches 6 are generally too slow to prevent complete quenching after initial local heating of a portion of the superconducting conductor ,
  • FIG 2 shows a similar schematic equivalent circuit diagram of a coil device 1 according to a first embodiment of the invention. Shown is an analogous to Figure 1 arrangement of coil winding 3, persistent current switch 6, cryostat 11 and external current source 13. In addition to these components, the persistent current switch 6 is a decay resistor 9a arranged outside the cryostat 11 is connected in parallel. The ⁇ ser Abklingwiderstand 9a has a resistance of 50 ohms WE tendonss. The loading of the coil device 1 by means of the current source 13 is analogous as for Figure 1 ⁇ written . Again, the power source after loading can either be disconnected or remain connected to the rest of the system. During charging, only an extremely small proportion of the charging current I 2 flows through the Abklingwiderstand 9a, since this resistance is significantly higher than the total resistance of the coil winding 3 in the superconducting state.
  • the ratio between the current flowing through the discharge Abklingwiderstand 9a Ström I3 and the current flowing through the switch 6 open leakage current I 4 is provided over give the ratio of the resistances of the Abklingwiderstands 9a and the opened switch ⁇ . Therefore, a highest possible resistance of the geöffne ⁇ th permanent current switch 6 is advantageous in order to flow on unloading a very high proportion of the current through the Abklingwiderstand 9a and to avoid in particular an undesirable heating of the elements arranged in the cryostat.
  • a controlled discharge can be triggered by switching the persistent current switch 6 in its normal conducting state. At a favorable resistance ratio may be dependent on voltage applied in the circuit 5, current and stored energy as well as the operating points of the superconducting conductor elements advantageously a quench the
  • An uncontrolled, ie spontaneously triggered discharge can be triggered as described by a local heating of a conductor region of the coil winding 3.
  • a local quench can be detected by a sensor, and then an opening of the persistent current switch 6 can be triggered, which as described above subsequently causes a discharge of a large part of the current as discharge current I3 via the Abklingwiderstand.
  • a sufficiently high resistance ratio and in turn dependent on voltage, current, energy and operating points due to the rapid discharge quenching of the entire coil winding 3 can be advantageously avoided.
  • Advantageous for a successful avoidance of such a complete constant quench is a sufficiently fast opening time of the persistent current switch 6, which may advantageously be less than 0.5 s.
  • Such rapid switching may in particular be possible when switching between the superconducting state and the normal conducting state is caused at least in part of a locally acting Magnetfel ⁇ by the change of, since such a magnetic field can be switched much faster typically as the temperature of the switchable conductor portion can be changed. Due to the heat capacities of the elements typically thermally coupled to such a conductor section, purely thermal switching is normally slower than switching based at least in part on the change of electromagnetic fields. Fast switching is thus advantageous, above all, for avoiding quenching in the event of spontaneous discharge.
  • Figure 3 shows a schematic equivalent circuit diagram of an SPU ⁇ len prepared 1 according to a second embodiment of the invention.
  • the coil device 1 is similarly constructed as in the example of Figure 2.
  • a consumer 9b parallel to the constant current circuit 5 is arranged.
  • the example of FIG. 3 may be, in particular, an SMES system, in which excess electrical energy of a superordinate energy source is used
  • a controlled discharging process can again be triggered by opening the persistent current switch 6.
  • a discharge current I 5 flows through the load 9b, so that the electrical energy previously stored in the coil winding can be used by the consumer 9b.
  • the relationship between the resistance of the open persistent current switch 6 and the effective resistance of the Ver ⁇ brauchers 9b should therefor be very high, for example at least 10: 1, especially at least 100: 1.
  • An additional, optional switch 10a can be arranged in the example of FIG. 3 between the consumer and the coil winding 3 in order to connect the consumer to the energy storage system only when required.
  • FIG. 4 shows a plot of the locally acting magnetic field B ex t in the region of a continuous current switch 6 against the temperature T.
  • T the dependence of the upper critical magnetic field strength B C 2 of the superconducting material of the switchable conductor section on the operating temperature T, ie B, is in this coordinate system C 2 (T) shown.
  • This curve B C 2 (T) is a relatively shallowly decreasing function of temperature in the low temperature range and decreases steeper and steeper towards higher temperatures.
  • T c indicates the critical temperature of the material for a local magnetic field B ext going to zero. Above this temperature no superconducting state is possible. Shown is a schematic exemplary course for a ceramic superconductor material, wherein the exact values are highly dependent on material.
  • the switchable conductor material is superconducting, for operating points right above the curve, it is normally conducting.
  • initially superconducting operating point P on the curve B C 2 (T) addition thus opening the persistent current switch is possible.
  • such a opening Dau ⁇ erstromschalters can be ⁇ acts in different ways in principle because either the temperature dependence of the sup- ra réelleden properties or the magnetic field dependence or both can be exploited simultaneously.
  • the arrow marked with the reference numeral 14a shows a change of the operating point P, in which only the temperature is changed.
  • Such a purely thermal switching in the normallei ⁇ border operating range can therefore be triggered by a local heating of the switchable conductor section.
  • the arrow marked with the reference symbol 14b shows a change of the operating point P, in which only the locally acting magnetic field B ex t is changed.
  • the arrow indicated by the reference numeral 14c shows a combined thermal-magnetic switching in which the material is brought into the normal conducting state by simultaneous change of temperature and magnetic field.
  • the proportion of the change of these two operating parameters can also be chosen differently. It is essential that such a change can be effected particularly effectively by a combination of both changes.
  • the switching variants 14b and 14c in which the opening is effected at least in part by the change ⁇ tion of the magnetic field B ex t, the switching can generally generally be faster than in the purely thermal switching 14a.
  • a purely thermal switching by the poor thermal conductivity is typically slower than an at least magnetically supported Schal ⁇ th.
  • the distance with respect to the temperature coordinate can be advantageous ⁇ at least 3 K, in particular between 10 K and 40 K.
  • the switchable conductor section in the permanent ⁇ current switch of the third embodiment based on a Ma ⁇ material of the type BaKBiO.
  • This switchable Porterab can ⁇ cut advantageous see at an operating point be- 10 and 25 K and between 0 and 50 mT are operated. As a result, a fast switching, which is at least partially triggered magnetically, facilitated.
  • the operating temperature of the persistent current switch is also relatively close to Be ⁇ operating temperature of the coil winding, so that no excessively high temperature gradient within the cryostat 11 or via the conductor loop of the circuit. 5 must keep away upright ⁇ .
  • Figure 5 shows a persistent current switch 6 according to a fourth embodiment of the invention. Shown is a supralei ⁇ tender conductor 23 which is connected in the further course not shown here with a coil winding 3 to a closed circuit 5, similar to the figures 2 and 3.
  • the superconducting conductor 23 has a switchable autismab ⁇ section 7, which is arranged in this example within a Ab ⁇ screen coil 15.
  • This shielding coil 15 serves to shield an existing external magnetic field in the region of the switched conductor section 7, wherein the Mag ⁇ netfeld is without shielding above the given at the operating temperature Tempe ⁇ B C 2 (T).
  • this existing external magnetic field it may be at least partially that of the Coil winding 3 field generated act. In particular, it may be the comparatively strong background field of Mag ⁇ netresonanz réelles.
  • the arranged around the switchable Porterab ⁇ section shielding coil 15 reduces this external magnetic field in its interior considerably, so that the section 7 is largely shielded in normal operation of the magnetic field.
  • an operating point P can be set below the B C 2 (T) curve.
  • the shielding effect of the coil 15 can in turn be canceled out or at least reduced by switching over the coil properties.
  • the shielding effect of the coil 15 can in turn be canceled out or at least reduced by switching over the coil properties.
  • For this purpose can be geöff within the shielding 15 ⁇ net connect.
  • the shielding coil 15 may be a cylindrical coil. It can in turn also have a superconducting material, in particular a zy ⁇ lindhariwitzs superconducting element. To open the switch, the superconductivity is interrupted at least in a portion of the cylinder, whereby the shielding effect is largely eliminated. Then, also acts in the interior of the shielding coil a local magnetic field B above C 2 (T), and the switchable conductor portion 7 is put in a normal direct ⁇ the state of the persistent current switch 6 is so ge ⁇ opens.
  • a hollow cylinder made of solid (bulk) superconductor material can be used as the shielding coil .
  • a hollow cylinder coated with a cylindrical superconducting layer may be used.
  • Suitable superconducting materials for Abtenspu ⁇ le 15 are for example magnesium diboride or a material of the type REBCO.
  • a peripheral segment 15a of the cylinder can be heated with a heating element 17 so far that the superconductivity breaks down in this section 15a.
  • the magnetic switching shown in Figure 5, in which a superconducting shielding coil 15 is in turn thermally switched can be realized much faster than if the switchable conductor section would be directly thermally switched. A major reason for this is that the shielding must be dimensioned as a second switch for much lower withstand voltages and / or current carrying capacities than the continuous current Turn 6 in the main circuit 5.
  • the conductor cross-section and / or circuit ⁇ mass can be lower.
  • the shielding coil can be designed so that even with purely thermal switching a rapid change in their superconducting properties is possible.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of another continuous-current circuit breaker according to a fifth exemplary embodiment of the invention. Shown again is a switchable conductor section 7, around which a shielding coil 15 is arranged.
  • a switchable conductor section 7 around which a shielding coil 15 is arranged.
  • the conductors of the outermost windings are in this case connected via a superconducting contact 19 to a closed shielding circuit.
  • a switchable conductor section 15a of this shielding circuit is in turn thermally gekop- with a heating element 17 pelt over which the conductor portion can be brought into a conducting condition normallei ⁇ 15a.
  • a secondary thermal switch exists, via which a superconducting shielding can be switched off, so that a switchable conductor section 7 of the persistent current switch 6 is switched indirectly magnetically into a normally conducting state.
  • the thermal switching of Abnespu ⁇ le 15 can be done faster than would be possible with a purely thermal switching of the conductor portion 7, since the conductor the coil 15 does not have to be dimensioned for the high voltage strengths and current carrying capacities of the circuit 5 of the coil winding 3.
  • a switching of the switchable conductor portion may additionally through another optional and therefore not shown here heating element Be ⁇ rich of the conductor portion are supported 7, or ge ⁇ showed heating element 17 may alternatively be arranged so that this conductor portion 7 is with heated.
  • the head of the shield coil 15 may for example be formed of similarity ⁇ Lichem superconducting wire as the coil 3.
  • a Tieftemperatursupra- conductor or a magnesium diboride-based conductor can be used here. And technologies are known for such materials to the required superconducting contact 19 herzustel ⁇ len.
  • the thermal conductivity of the material of the shielding winding supra ⁇ conductive 15 may be higher than in the superconducting material of the switchable conductor section 7, since no resistor to a high electric Wi possible in the normal state must be taken into consideration.
  • the coil winding 15 with a fast magnetically switchable conductor material such as
  • BaKBiO be trained. This can be switched, for example, with a magnetically coupled thereto magnetic coil. In other words, such a fast switching via a cascade of two superconducting magnetically switchable conductor regions.
  • the shielded from ⁇ volume is comparatively small.
  • the shielding should be chosen small in order to avoid magnetic field distortions in the imaged or measured volume.
  • the volume of the continuous current switch is generally not more than 100 cm 3 .
  • a second, not shown in the figures is provided with a heating element thermally switchable conductor section.
  • a serial second switch can be advantageously used to load the coil winding 3 with a charging current.
  • the second switch should be opened, because at an initial charging of the coil system 1, the background field generated by the coil winding 3 is not yet large enough to enable a magnetic switching by canceling a shield.
  • a field winding which, as described below, interacts with a background field to exceed the B C 2 (T) curve.
  • an additional thermal switch is useful to allow for initial charging and possibly complete discharge without the nominal background field. In this case, however, complete discharge is less critical, since a leakage current I 4 flowing in the persistent current switch generally leads to a thermal load of the switchable conductor discharge during discharge. Section 7 and thus leads to a prolonged leaving the superconducting work area.
  • Figure 7 shows a schematic representation of another continuous current switch according to a sixth embodiment of the invention.
  • simplified two different variants of the switching are shown in a figure, which can either be used separately or optionally can be combined with each other.
  • a switchable conductor section 7 of a continuous current switch 6, which is connected in this example via two sup ⁇ ra decisionsde contacts 19 with a superconducting conductor 23 which forms a closed circuit 5 together with a coil winding 3, not shown here, similar to the figures 2 and 3.
  • the switchable conductor portion 7 is formed of a different superconducting material than the remaining superconducting conductor 23.
  • Such a choice of another material and the introduction of additional superconducting contacts 19 may optionally also in the embodiments of Figures 5 and 6 are used, so for each of the described switching variants.
  • a uniform superconducting material for switchable conductor section 7 and the remaining conductor 23 as well as the coil winding 3 can also be used for the respective variants.
  • a magnetic field winding 21 is arranged around the switchable conductor section 7 or at least a part thereof.
  • This magnetic field winding 21 is vorteilhat small compared to the coil winding 3, but they should be sufficient in the area of the conductor portion 7 a local Mag ⁇ netfeld B ex t to reach above the respective B C 2 (T). It advantageously has a comparatively low inductance, so that the magnetic field can be switched on quickly to ermögli ⁇ chen a rapid opening of the persistent current switch 6.
  • the magnetic field winding 21 can be a superconducting conductor. However, they can in principle also be normally conductive.
  • the persistent current switch 6 is advantageous in this Kunststoffme- Thode in a region within the cryostat 11 angeord ⁇ net, in which the magnetic field of the coil winding 3 ⁇ comparison example is low. This is particularly important for magnetic ⁇ systems with high background magnetic fields, so B 2 (T) is not already exceeded the background field C, but 21 only when switching on the magnetic field coil, the magnetic field of the magnetic coil 21 can then interact favorably with the background magnetic field B C 2 (T), so that the magnetic field generated by the additional winding 21 need not be very large.
  • a material with anisotropic, ie direction-dependent B C 2 (T) can be used.
  • a crystalline material having a high B C 2 (T) in crystallographic ab direction and a low B C 2 (T) in crystallographic c direction can be used.
  • the persistent current switch can then be aligned so that the background field is aligned in the down direction of the mate rials ⁇ and thus the superconducting portion of the curve according to Figure 4 is not left. Only by switching on the magnetic field winding 21 in the c-direction, a sufficiently high magnetic field B ex t is generated to leave the supra agenda ⁇ the area below the B C 2 (T) curve.
  • the Benö for the magnetic switching ⁇ preferential magnetic field strength can be reduced by forming a conductor geometry is chosen for the switchable semiconductor region 7, which promotes the formation of local field enhancements.
  • a conductor geometry is chosen for the switchable semiconductor region 7, which promotes the formation of local field enhancements.
  • a flat, band-shaped conductor can be used and the magnetic field of the field winding 21 can impinge substantially perpendicular to such a strip conductor. Shielding currents in the conductor cause a field increase in the conductor Range of edges. Once these are 2 by exceeding the C B (T) curve of normal-conductive, the field enhancement penetrates further into the interior before until all switchable autismab ⁇ section 7 becomes normally conductive. Thus, with a relatively small additional magnetic field of the field winding 21, the conductor portion 7 can be effectively and rapidly switched.
  • the field winding 21 may be omitted, and the switchable conductor portion 7 can in principle only by the heating ⁇ element 17 according to variant 14a of Figure 4 can be switched between its superconductive state and its normally conducting state.
  • the thermal switching of ceramic superconductive conductor portions 7 can take place quickly, since a smaller mass of ceramic conductor material is Benö ⁇ Untitled for the expedient to be achieved resistors.

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Abstract

The invention relates to a coil device with at least one electric coil winding with superconductive conductor material. The coil winding is part of a closed current circuit for forming a persistent current. The closed current circuit has a persistent current switch with a switchable conductor portion which can be switched between a superconductive state and a normal conductive state. The switchable conductor portion has a high-temperature superconductive conductor and a resistance of at least 300 ohm in the normal conductive state of the conductor. A decay resistor of at least 50 ohm and/or a load with an effective resistance of at least 50 ohm is connected parallel to the switchable conductor portion. The invention further relates to a persistent current switch for such a coil device and to a method for charging or discharging a persistent current.

Description

Beschreibung description
Spuleneinrichtung mit Dauerstromschalter Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spuleneinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial, wobei die Spulenwicklung Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms ist, und wobei der geschlossene Stromkreis einen Dau- erstromschalter mit einem schaltbaren Leiterabschnitt aufweist, der zwischen einem supraleitendem Zustand und einem normalleitendem Zustand umschaltbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Dauerstromschalter für eine derartige Spuleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms in einer Spulenwicklung einer solchen Spuleneinrichtung . The present invention relates to a coil device having at least one electrical coil winding with superconducting conductor material, wherein the coil winding is part of a self-contained circuit for forming a continuous current, and wherein the closed circuit has a permanent current switch with a switchable conductor section which between a superconducting state and a normal conducting state is switchable. Furthermore, the invention relates to a continuous current switch for such a coil device and a method for loading or unloading a continuous current in a coil winding of such a coil device.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Anwendungen be¬ kannt, bei denen supraleitende Spulen verwendet werden, um einen Dauerstrom in einem geschlossenen supraleitenden Stromkreis nahezu verlustfrei aufrechtzuerhalten. Dies kann bei¬ spielsweise zur Erzeugung von Magnetfeldern und/oder zur Speicherung von Energie genutzt werden. Bei der Magnetreso- nanzbildgebung und der Magnetresonanzspektroskopie werden solche supraleitenden Magnetspulen benutzt, um die hier benötigten starken und zeitlich möglichst konstanten statischen Magnetfelder zu erzeugen. In rotierenden elektrischen Maschinen können kurzgeschlossene supraleitende Spulen benutzt wer¬ den, um ein permanentes Erregermagnetfeld zur Verfügung zu stellen. Eine solche kurzgeschlossene Spule kann insbesondere auf dem Rotor einer solchen Maschine angeordnet sein. Eine weitere Anwendung von kurzgeschlossenen supraleitenden Magnetspulen liegt im Bereich der supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) , bei denen das Beladen und Entladen einer solchen kurzgeschlossenen Spule genutzt wird, um elektromagnetische Energie in dem durch die Spule erzeugten Mag¬ netfeld zwischenzuspeichern und anschließend wieder in einem äußeren Stromkreis zur Verfügung zu stellen. Den beschriebe- nen Anwendungen ist gemeinsam, dass typischerweise ein From the prior art, various applications are ¬ be known, in which superconductive coils are used to maintain a constant current in a closed superconducting circuit with virtually no loss. This can be used at ¬ play, for generating magnetic fields and / or for storing energy. In magnetic resonance imaging and magnetic resonance spectroscopy, such superconducting magnet coils are used to generate the strong and temporally constant static magnetic fields required here. In rotating electrical machines shorted superconducting coils can be used to ¬ to provide a permanent magnetic excitation field are available. Such a short-circuited coil can be arranged in particular on the rotor of such a machine. Another application of short-circuited superconducting magnetic coils is in the field of superconducting magnetic energy storage (SMES), in which the loading and unloading of such a short-circuited coil is used to temporarily store electromagnetic energy in the Mag ¬ netfeld generated by the coil and then again in an outer Circuit to provide. The description One common application is that one typically
Gleichstrom dauerhaft durch eine kurzgeschlossene Spule fließt und dabei ein stationäres Magnetfeld erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den spezifischen Prob- lernen beim Be- und Entladen des in solchen Spulen fließenden Stroms . DC current flows permanently through a short-circuited coil while a stationary magnetic field is generated. The present invention is concerned with the specific probing of loading and unloading of the current flowing in such coils.
Um eine solche Spule mit einem Strom zu beladen, ist typi¬ scherweise in den geschlossenen Stromkreis ein supraleitender Dauerstromschalter integriert. Ein solcher Dauerstromschalter weist einen supraleitenden Leiterabschnitt auf, der bei¬ spielsweise durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt werden kann. Wenn die Spule gleichzeitig mit einer Stromquelle in einem äußeren Stromkreis verbunden wird, kann sie bei geöffnetem Dauerstromschalter mit einem Strom beladen werden . In order to load such a coil with a current, a superconducting persistent current switch is typi cally ¬ integrated into the closed circuit. Such permanent current switch comprises a superconducting conductor portion which can be displaced by heating the pitch to a resistive conducting state at ¬. If the coil is simultaneously connected to a power source in an external circuit, it can be charged with an open permanent-current switch.
Ein Entladen des in dem geschlossenen Stromkreis durch die Spulenwicklung fließenden Stroms kann gewollt oder ungewollt ausgelöst werden. Ein absichtliches Entladen kann durch einDischarging the current flowing in the closed circuit through the coil winding current can be triggered intentionally or unintentionally. An intentional unloading can be done by a
Öffnen des Dauerstromschalters ausgelöst werden, und die Spu¬ le kann dazu mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein, in den sich der vorher über den geschlossenen Stromkreis fließende Strom wenigstens zum Teil entladen kann. Dies kann bei- spielsweise zum Abrufen der in einem SMES gespeicherten Energie verwendet werden. Ist die Spule dagegen beim Entladen nicht mit einem äußeren Stromkreis verbunden, wird die in der Spule gespeicherte elektromagnetische Energie vollständig als Wärme im Bereich des Dauerstromschalters dissipiert. Diese Wärme könnte bei großen Magnetsystemen den Schalter zerstören. Ein solches Öffnen des Schalters ohne externen Stromkreis ist dort also zu vermeiden. Opening the persistent current switch are triggered, and the Spu ¬ le can be connected to an external circuit, in which the previously flowing through the closed circuit current can at least partially discharge. This can be used, for example, to retrieve the energy stored in an SMES. On the other hand, when the coil is not connected to an external circuit during discharge, the electromagnetic energy stored in the coil is completely dissipated as heat in the area of the persistent current switch. This heat could destroy the switch in large magnet systems. Such an opening of the switch without an external circuit is therefore to be avoided there.
Ein Entladen der Spule kann auch auf andere Weise als durch ein kontrolliertes Öffnen des Dauerstromschalters ausgelöst werden: So kann ein lokaler Temperaturanstieg in der Spulenwicklung dazu führen, dass ausgehend von diesem Bereich die supraleitenden Eigenschaften der ganzen Spulenwicklung zusam- menbrechen. Durch diese Wärmeentwicklung können die supraleitenden Eigenschaften der gesamten Spulenwicklung zusammenbrechen, was als „Quench" bezeichnet wird. Ein solcher Quench kann sich durch die thermische Kopplung der verschiedenen Be- reiche schnell ausbreiten. Bei einer Anordnung der supraleitenden Spulenwicklung in einem mit flüssigem Helium gekühlten Kryostaten verdampft bei einem solchen Quench typischerweise das gesamte Helium, was zu relativ hohen Kosten und einem Ausfall in der Nutzungsdauer des Systems führt. Um einen Schaden der supraleitenden Leiterelemente durch lokales Überhitzen der Leiter zu vermeiden, wird die schnelle Ausbreitung eines solchen Quenchs unter Umständen sogar gefördert. Ein lokales Überhitzen kann detektiert werden, und andere Berei¬ che der Spulenwicklung können dann ebenfalls absichtlich zum Quenchen gebracht werden, damit der Stromfluss möglichst schnell zusammenbricht und keine Schädigung des zuerst lokal erwärmten Leiterbereichs auftritt. Dieses Verfahren wird üb¬ licherweise bei Magnetresonanzspulen angewandt, um die Leiter vor dauerhafter Überhitzung zu schützen. Discharging the coil can also be triggered in other ways than by controlled opening of the permanent-current switch: Thus, a local temperature increase in the coil winding can lead to the superconducting properties of the entire coil winding starting from this region. menbrechen. As a result of this heat development, the superconducting properties of the entire coil winding can break down, which is referred to as "quench." Such a quench can spread rapidly due to the thermal coupling of the various regions Typically, all of the helium will evaporate in such a quench, resulting in relatively high costs and failure in the useful life of the system In order to avoid damage to the superconducting conductor elements by locally overheating the conductors, the rapid propagation of such quench may even be promoted . A local overheating can be detected, and other preparation ¬ che the coil winding can then also be intentionally brought to quenching, so that the current flow collapses as soon as possible and no damage to the first locally heated semiconductor region occurs. D This ti method is used üb ¬ SHORT- in magnetic coils to protect the conductors from permanent overheating.
Es kann auch zweckmäßig sein, einen solchen Quench über einen Notausschalter auszulösen, um bei einem Störfall der Spuleneinrichtung ein schnelles Abschalten des von der Spule erzeugten Magnetfeldes zu ermöglichen. Über einen derartigen Notausschalter kann beispielsweise eine der Spulen absicht¬ lich beheizt werden, um in der Folge einen Zusammenbruch der Supraleitung in der gesamten Spulenwicklung auszulösen. It may also be expedient to trigger such a quench via an emergency stop switch in order to enable a rapid shutdown of the magnetic field generated by the coil in the event of a fault of the coil device. Over such emergency stop one of the coils can be heated intentional ¬ Lich example, to trigger a collapse of the superconductivity in the entire coil winding in the sequence.
Nachteilig bei dem beschriebenen Stand der Technik ist, dass bei den Entlade- und Quenchvorgängen ein hoher Teil der in der Spulenwicklung gespeicherten Energie als Wärme im Bereich der Spulenwicklung dissipiert wird. Dies kann zu unnötigem Verlust von teurem Kühlmittel, zum Verlust von Energie und/oder zu einer thermischen Belastung der empfindlichen supraleitenden Leitermaterialien führen. Insbesondere bei Magnetresonanzspulen ist der Verlust des flüssigen Heliums bei solchen Quenchvorgängen ein hoher Kostenfaktor. Bei SMES- Speicherspulen ist vor allem der Verlust von gespeicherter Energie nachteilig, wenn ein Teil davon durch Quenches oder auch beim kontrollierten Entladen als Wärme in der Spulenwicklung verloren geht. Ein weiterer Nachteil der bekannten Dauerstromschalter ist, dass die Schaltzeit für die Öffnung des Schalters relativ langsam ist und somit ein Entladen der Energie in einen äußeren Stromkreis nur langsam erfolgen kann. Auch dies kann zu höheren Verlusten und einer höheren Wärmeentwicklung in der Spulenwicklung führen, als es bei einer schnelleren Entladung der Fall wäre. A disadvantage of the described prior art is that in the discharge and quenching processes, a high part of the energy stored in the coil winding is dissipated as heat in the region of the coil winding. This can lead to unnecessary loss of expensive coolant, loss of energy and / or thermal stress on the sensitive superconducting conductor materials. Particularly in the case of magnetic resonance coils, the loss of the liquid helium in such quenching processes is a high cost factor. With SMES storage reels, the loss of stored ones is the most important Energy disadvantageous when a part of it is lost by quenching or controlled discharge as heat in the coil winding. Another disadvantage of the known persistent current switch is that the switching time for the opening of the switch is relatively slow and thus discharging the energy into an external circuit can be done only slowly. This, too, can lead to higher losses and higher heat development in the coil winding than would be the case with a faster discharge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Spuleneinrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll ein Dauerstromschalter angegeben werden, mit dem eine Verringerung der Dissipation von Wärme im Bereich der elektrischen Spulenwicklung erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es, einen derartigen Dauerstromschalter für eine solche Spuleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms anzugeben. Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Spuleneinrichtung, den in Anspruch 14 beschriebenen Dauerstromschalter und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst . Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine elektrische Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial, wobei die Spulenwicklung Teil eines in sich geschlos¬ senen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms ist. Der geschlossene Stromkreis weist einen Dauerstromschalter mit einem schaltbaren Leiterabschnitt auf, der zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist. Der schaltbare Leiterabschnitt weist einen hochtemperatursupraleitenden Leiter auf und hat im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 300 Ohm. Dem schaltbaren Leiterabschnitt ist ein Abklingwiderstand von wenigstens 50 Ohm und/oder ein Verbraucher mit einem effektiven Widerstand von wenigstens 50 Ohm parallelge¬ schaltet . Unter einem Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc- Supraleiter (HTS) soll hier allgemein ein supraleitendes Material mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K verstan- den werden. Bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, liegt die Sprungtemperatur dieser Supraleiter sogar oberhalb von 77 K, so dass die Betriebstempera¬ tur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. Ein Vorteil der Hochtempe- ratursupraleiter gegenüber vielen metallischen Tieftemperatursupraleitern für die Verwendung in dem genannten Dauerstromschalter liegt darin, dass sie im normalleitenden Zustand oft einen relativ hohen Widerstand aufweisen und dass somit der Dauerstromschalter im geöffneten Zustand auch rela- tiv durchschlagfest ausgestaltet werden kann. Object of the present invention is therefore to provide a coil device which avoids the disadvantages mentioned. In particular, a continuous current switch is to be specified with which a reduction in the dissipation of heat in the region of the electrical coil winding can be achieved. Another object is to provide such a continuous current switch for such a coil device and a method for loading or unloading a continuous current. These objects are achieved by the coil device described in claim 1, the persistent current switch described in claim 14 and the method described in claim 15. The coil device according to the invention comprises at least one electric coil with superconducting conductor material, wherein the coil winding is part of a CLOSED ¬ Senen in itself circuit for forming a continuous current. The closed circuit has a persistent current switch with a switchable conductor section which is switchable between a superconducting state and a normal conducting state. The switchable conductor section has a high-temperature superconducting conductor and has a resistance of at least 300 ohms in the normal conducting state of the conductor. The switchable conductor section is a Abklingwiderstand of at least 50 ohms and / or a consumer with an effective resistance of at least 50 ohms parallelge ¬ switches. Under a high-temperature superconductor or high-T c - superconductor (HTS) is here generally a superconducting material with a transition temperature above 25 K to be understood. In some classes of materials, such as the cuprate superconductors, the critical temperature of these superconductors is even above 77 K, so that the operating tempera ¬ ture can be achieved by cooling with other cryogenic materials as liquid helium. An advantage of high-temperature superconductors compared with many metallic low-temperature superconductors for use in said persistent current switch is that they often have a relatively high resistance in the normal conducting state and thus that the continuous current switch in the open state can also be made relatively resistant to breakdown.
In der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung ist dem Dauerstromschalter ein Abklingwiderstand von wenigstens 50 Ohm oder ein entsprechender Verbraucher parallelgeschaltet. Ein wesentlicher Vorteil dieses parallelen Strompfades ist, dass bei einem Öffnen des Dauerstromschalters ein großer Teil der elektrischen Energie in diesen parallelen Strompfad umgeleitet wird und somit dieser Teil nicht in der Spulenwicklung oder im Dauerstromschalter als Wärme dissipiert wird. Der Ab- klingwiderstand beziehungsweise der effektive Widerstand des Verbrauchers ist dabei mit wenigstens 50 Ohm groß genug, um im geschlossenen Zustand des Dauerstromschalters ein Abflie¬ ßen des Dauerstroms in diesen parallelgeschalteten Strompfad zu vermeiden, da dann der Strom in dem nahezu widerstands- freien geschlossenen supraleitenden Strompfad der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters fließt. In the coil device according to the invention, the continuous-current switch has a decay resistance of at least 50 ohms or a corresponding load connected in parallel with it. An essential advantage of this parallel current path is that, when the permanent current switch is opened, a large part of the electrical energy is diverted into this parallel current path and thus this part is not dissipated as heat in the coil winding or in the permanent current switch. The Abing resistance or the effective resistance of the consumer is at least 50 ohms large enough to avoid Abflie ¬ Shen the continuous current in this parallel-connected current path in the closed state of the persistent current switch, because then the current in the almost resistance-free closed superconducting Current path of the coil winding and the continuous current switch flows.
Der Widerstand des Dauerstromschalters von wenigstens 300 Ohm im normalleitenden, also geöffneten, Zustand bewirkt, dass im geöffneten Zustand des Dauerstromschalters der Strom zum grö¬ ßeren Teil über den Abklingwiderstand beziehungsweise den Verbraucher abfließt und nur zu einem kleineren Teil über den normalleitenden Leiterabschnitt des Dauerstromschalters. Hiermit wird vorteilhaft erreicht, dass beim Entladen der Spulenwicklung ein geringerer Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie als Wärme in der Spulenwicklung dissipiert wird und ein größerer Teil entweder über den Abklingwiderstand dissipiert wird oder im Verbraucher umge¬ setzt wird. Somit wird ein Energieverlust innerhalb des ge¬ schlossenen Stromkreises der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters vorteilhaft reduziert. Ganz besonders vorteil¬ haft kann die Dissipation von Wärmeenergie in der Spulenwick- lung so weit reduziert werden, dass die supraleitenden Eigenschaften im Bereich der Spulenwicklung aufrechterhalten werden können, die Spulenwicklung also nicht quencht . Bei einer Kühlung der supraleitenden Komponenten mit Helium wird dann gleichzeitig ein Verlust an flüssigem Helium vermieden oder zumindest reduziert, da das den Supraleiter umgebende Kühl¬ mittel nicht vollständig verdampft wird. Hierdurch kann auch die Dauer bis zu einem möglichen erneuten Beladen der Spulenwicklung vorteilhaft reduziert werden. Der erfindungsgemäße Dauerstromschalter ist für eine erfindungsgemäße Spuleneinrichtung ausgelegt. Er weist einen schaltbaren Leiterabschnitt auf, wobei dieser einen hochtem- peratursupraleitenden Leiter umfasst und im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 300 Ohm aufweist. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Dauerstromschal¬ ters ergeben sich im Zusammenspiel mit den übrigen Elementen der Spuleneinrichtung und entsprechen den oben im Zusammenhang mit der Spuleneinrichtung beschriebenen Vorteilen. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms in einer erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung. Dabei wird der schaltbare Leiterabschnitt des Dauer¬ stromschalters von einem supraleitenden Zustand in einen normalleitenden Zustand umgeschaltet. Auch die Vorteile dieses Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der Spuleneinrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Spuleneinrichtung, des Dauerstrom- Schalters und des Verfahrens allgemein vorteilhaft miteinan¬ der kombiniert werden. The resistance of the persistent current switch of at least 300 ohms in the normal, that is opened, causes a state that flows in the open state of the persistent current switch, the current to the RESIZE ¬ ßeren part about the Abklingwiderstand or the consumer, and only to a lesser extent on the normal conducting conductor portion of the permanent current switch. This advantageously achieves that when discharging the coil winding a smaller part of the energy previously stored in the coil winding is dissipated as heat in the coil winding and a larger part is either dissipated via the Abklingwiderstand or vice versa ¬ sets. Thus, an energy loss within the closed circuit ¬ ge of the coil winding and the continuous current switch is advantageously reduced. Especially beneficial ¬ way the dissipation of thermal energy in the coil winding can be reduced so that the superconducting properties can be maintained in the coil winding, so do not quench the coil winding. In a cooling of the superconducting components with helium loss is then avoided at liquid helium or at least reduced because the surrounding cooling the superconductor ¬ medium is not completely vaporized at the same time. In this way, the duration can be advantageously reduced to a possible re-loading of the coil winding. The persistent current switch according to the invention is designed for a coil device according to the invention. It has a switchable conductor section, wherein the latter comprises a high-temperature superconducting conductor and has a resistance of at least 300 ohms in the normal conducting state of the conductor. The advantages of the persistent current scarf ¬ ters invention arise in conjunction with the other elements of the coil means and correspond to the advantages described above in connection with the coil means. The inventive method is used for loading or unloading a continuous current in a coil device according to the invention. In this case, the switchable conductor section of the permanent ¬ current switch is switched from a superconducting state to a normal conducting state. The advantages of this method are analogous to the advantages of the coil device described above. Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1 and the following description. In this case, the described embodiments of the coil device, the Dauerstrom- switch and the method can be combined miteinan ¬ generally advantageous.
Die Spuleneinrichtung kann einen Kryostaten zur Kühlung des supraleitenden Leitermaterials umfassen, wobei die supralei- tende Spulenwicklung und der schaltbare Leiterabschnitt in¬ nerhalb des Kryostaten angeordnet sind. Der Abklingwiderstand und/oder der Verbraucher ist dann vorteilhaft außerhalb des Kryostaten angeordnet. Mit Hilfe des Kryostaten können die supraleitenden Leitermaterialien der Spulenwicklung und des schaltbaren Leiterabschnitts auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des jeweiligen Supraleiters gekühlt werden, sodass ein durchgehend supraleitender geschlossener Stromkreis erhalten werden kann. Bei dem Kryostaten kann es sich beispielsweise um einen offenen Badkryostaten handeln, aus dem das verwendete Kühlmittel gegebenenfalls verdampfen kann. Alternativ kann es sich auch um einen Kryostaten mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf handeln, in dem ein Kühlmittel entweder verflüssigt vorliegt oder auch zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen (oder auch überkriti- sehen) Zustand wechseln kann. Die Anordnung des Abklingwiderstands oder Verbrauchers außerhalb des Kryostaten bewirkt vorteilhaft, dass die bei einem Entladen der Spulenwicklung in den Abklingwiderstand oder den Verbraucher übertragene Energie nicht zu einer Erwärmung des Innenraums des Kryosta- ten beiträgt. Eine Aufrechterhaltung der Kühlung und des supraleitenden Betriebszustands für die innerhalb des Kryostaten angeordneten Komponenten wird dadurch auch beim Entladen der Spule ermöglicht. Der schaltbare Leiterabschnitt kann vorteilhaft im normallei¬ tenden Zustand des Leiters einen Widerstand aufweisen, der größer ist der Abklingwiderstand und/oder der Verbraucher. Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass nach einem Öffnen des Dauerstromschalters ein größerer Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie über den Abklingwiderstand und/oder den Verbraucher dissipiert wird und nur ein im Vergleich dazu kleinerer Teil im Bereich des Dauerstromschalters dissipiert wird. Besonders vorteilhaft wird sogar ein mehrheitlicher Teil der Energie im Bereich von Abklingwiderstand und/oder Verbraucher dissipiert. Dazu kann insbesondere der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts in seinem normalleitenden Zustand größer sein als ein Gesamt- widerstand des den Abklingwiderstand und/oder den Verbraucher aufweisenden parallelen Strompfads. Der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts kann im normalleitenden Zustand beispielsweise um mindestens einen Faktor 5, insbesondere um wenigstens einen Faktor 20 höher sein als der Gesamtwider- stand des parallelen Strompfads. The coil means may comprise a cryostat for cooling the superconducting conductor material, wherein the superconductors tend coil winding and the switchable conductor portion are disposed in ¬ nerhalb of the cryostat. The Abklingwiderstand and / or the consumer is then advantageously arranged outside the cryostat. With the help of the cryostat, the superconducting conductor materials of the coil winding and the switchable conductor section can be cooled to a temperature below the transition temperature of the respective superconductor, so that a continuous superconducting closed circuit can be obtained. The cryostat can be, for example, an open bath cryostat from which the coolant used can optionally evaporate. Alternatively, it may also be a cryostat with a closed coolant circuit, in which a coolant is either liquefied or can change between a liquid and a gaseous (or supercritical) state. The arrangement of the Abklingwiderstands or consumer outside the cryostat advantageously has the effect that the transferred during a discharge of the coil winding in the Abklingwiderstand or the consumer energy does not contribute to a heating of the interior of the Kryosta- th. A maintenance of the cooling and the superconducting operating state for the components arranged within the cryostat is thereby also made possible during the unloading of the coil. The switchable conductor portion may have a resistance which is larger of the Abklingwiderstand and / or the consumer advantageous normallei ¬ conducting condition of the conductor. The main advantage of this embodiment is that after an opening of the persistent current switch, a greater part of the energy previously stored in the coil winding is dissipated via the Abklingwiderstand and / or the consumer and only a comparatively smaller part is dissipated in the region of the persistent current switch. Even a majority of the energy in the area of decay resistance and / or consumers is particularly advantageously dissipated. For this purpose, in particular the resistance of the switchable conductor section in its normal conducting state can be greater than a total resistance of the parallel current path having the decay resistance and / or the load. The resistance of the switchable conductor section may be, for example, at least a factor of 5, in particular by at least a factor of 20 higher than the total resistance of the parallel current path in the normally-conductive state.
Der schaltbare Leiterabschnitt kann im normalleitenden Zu¬ stand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 1000 Ohm, insbesondere wenigstens 5000 Ohm aufweisen. Derart hohe Wi- derstände sind besonders vorteilhaft, um beim Entladen einen besonders hohen, insbesondere einen mehrheitlichen Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie im Bereich des Abklingwiderstands und/oder des Verbrauchers umzusetzen und nur eine geringe Dissipation von Energie im Bereich der Spulenwicklung und/oder des Dauerstromschalters zu verursa¬ chen. Die höheren Widerstandswerte von wenigstens 5000 Ohm sind dabei insbesondere im Zusammenhang mit der Anwendung in SMES-Systemen vorteilhaft, da dort nur ein besonders geringer Anteil im Bereich der Spulenwicklung dissipiert werden soll. Der wesentliche Teil der in einem SMES-System gespeicherten Energie soll vielmehr beim Entladen zu einem dem Dauerstromschalter parallel geschalteten Verbraucher gelangen können. Aber auch für andere Systeme ist ein besonders hoher Wider¬ stand des geöffneten Dauerstromschalters allgemein vorteil- haft: Bei einem Widerstand von wenigstens 1 MOhm im geöffne¬ ten Zustand kann beispielsweise, wenn während der Abklingzeit eine Spannung von etwa 20 kV anliegt, ein Leckstrom von nur etwa 0,02 A zustande kommen. Hierdurch wird während des Ab- klingens im Dauerstromschalter eine kurzzeitige Leistung von nur 400 W dissipiert, was der Dauerstromschalter während der Dauer des Schaltens vorteilhaft aushalten kann. So kann der schaltbare Leiterabschnitt im normalleitenden Zu¬ stand des Leiters allgemein vorteilhaft eine Durchschlagfes¬ tigkeit für Spannungen von wenigstens 20 kV aufweisen. Hierdurch kann erreicht werden, dass es auch während des Schal¬ tens, also insbesondere während des Übergangs vom supralei- tenden in den normalleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts nicht zu einem Spannungsüberschlag kommt und der kurzgeschlossene Dauerstrom kontrolliert ausgeschaltet werden kann. Eine Spannungsfestigkeit von wenigstens 20 kV ist ins¬ besondere für Magnetspulen für die Magnetresonanzbildgebung zweckmäßig, da hier durch die sehr hohen Magnetfelder und sehr hohen Dauerströme beim Schalten auch sehr hohe lokale Spannungen am Dauerstromschalter zustande kommen können. Um ein Durchbrennen des Schalters zu vermeiden, können beispielsweise der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts im normalleitenden Zustand und seine thermische Ankopplung an die übrigen Komponenten so gewählt werden, dass der verbleibende Leckstrom den Dauerstromschalter bei der maximal auftretenden Spannung auf eine Temperatur im Bereich unterhalb von 320 K heizt. Die Strecke des schaltbaren Leiterabschnitts soll dabei allgemein lang genug sein, um den erforderlichen Widerstand im normalleitenden Zustand zu erreichen. Andererseits sollte der Querschnitt des Leiterabschnitts groß genug sein, um die für den jeweiligen Dauerstrom erforderliche Stromtragfähigkeit zu erreichen. The switchable conductor portion may have in the normal conducting state of the conductor to ¬ a resistivity of at least 1000 ohms, particularly at least 5000 ohms. Such high resistances are particularly advantageous in order to implement a particularly high, in particular a majority, part of the energy previously stored in the coil winding in the area of the decay resistance and / or of the load and only a small dissipation of energy in the region of the coil winding and / or or the permanent current switch to verursa ¬ chen. The higher resistance values of at least 5000 ohms are particularly advantageous in connection with the application in SMES systems, since there only a particularly small proportion is to be dissipated in the region of the coil winding. The essential part of the energy stored in an SMES system should rather be able to reach a load connected in parallel to the constant-current switch when discharging. But for other systems, a particularly high resistance ¬ stand of the open persistent current switch is generally advantageous: For example, when a voltage of about 20 kV is applied during the decay time, a leakage current of at least 1 MOhm in the open ¬ th state only about 0.02 A come about. This will be done during the a short-term power of only 400 W is dissipated in the continuous current switch, which the permanent-current switch can advantageously endure for the duration of the switching. Thus, the switchable conductor portion in the normal stand to ¬ of the conductor may have a generally advantageous Durchschlagfes ¬ ACTION for voltages of at least 20 kV. This can achieve that does not occur even during scarf ¬ least, so especially during the transition from superconductivity Tenden in the normal state of the switchable conductor section to a flashover and the shorted continuous current can be switched off controlled. A dielectric strength of at least 20 kV is appropriate to ¬ particular for solenoid coils for magnetic resonance imaging, since very high local stresses at the persistent current switch can come about by the very high magnetic fields and very high continuous current during switching. In order to avoid a burn-through of the switch, for example, the resistance of the switchable conductor portion in the normal conducting state and its thermal coupling to the other components can be chosen so that the remaining leakage current, the continuous current switch at the maximum voltage occurring at a temperature in the range below 320 K. heated. The distance of the switchable conductor section should generally be long enough to achieve the required resistance in the normal conducting state. On the other hand, the cross section of the conductor section should be large enough to reach the current carrying capacity required for the respective continuous current.
Der schaltbare Leiterabschnitt kann einen keramischen Hochtemperatursupraleiter aufweisen. Mit einem keramischen Material kann besonders gut eine hohe Spannungsfestigkeit er¬ reicht werden. Insbesondere kann im Vergleich zu metallischen Tieftemperatursupraleitern mit einem solchen keramischen Material auch leicht ein hoher Widerstand im geöffneten Zustand des Schalters erreicht werden. Um im normalleitenden Zustand einen hohen Widerstand und/oder eine hohe Spannungsfestigkeit des gesamten schaltbaren Leiterabschnitts zu erzielen, ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Leiterabschnitt gar keine durchgehenden metallisch leitfähigen Elemente aufweist. Bei Ausführungsformen, bei denen das keramische supraleitende Ma- terial als Schicht auf einem Träger abgeschieden ist, ist es daher vorteilhaft, wenn dieser Träger nicht metallisch ist, sondern aus schlecht leitenden oder nichtleitenden Materialien wie beispielsweise Glas, Keramik und/oder Verbundwerkstoffen gebildet ist. Alternativ kann der Leiterabschnitt aber auch ein im Bulk, also in massiver Form vorliegendes keramisches supraleitendes Leiterelement aufweisen. Hat die supraleitende Keramik einen zu hohen oder einen zu Undefinierten Widerstand für die Anforderungen des Dauerstromschal¬ ters, so kann ein relativ schlecht leitender Parallelwider- stand parallelgeschaltet werden. Ein solcher Widerstand kann beispielsweise Werte im Bereich zwischen 0.3 kOhm und The switchable conductor section may comprise a ceramic high-temperature superconductor. With a ceramic material has a high dielectric strength can it be enough ¬ particularly well. In particular, in comparison to metallic low-temperature superconductors with such a ceramic material also a high resistance in the open state of the switch can be easily achieved. In the normal conducting state, a high resistance and / or a high dielectric strength To achieve the entire switchable conductor section, it is particularly advantageous if this conductor section has no continuous metallic conductive elements. In embodiments in which the ceramic superconducting material is deposited as a layer on a carrier, it is therefore advantageous if this carrier is not metallic, but is formed from poorly conductive or non-conductive materials such as glass, ceramic and / or composite materials. Alternatively, however, the conductor section can also have a ceramic superconducting conductor element present in bulk, that is to say in a solid form. If the superconducting ceramics are too high or too undefined resistance to the demands of continuous current scarf ¬ ters, then a relatively poorly conducting paralleling stand parallel. Such a resistance can, for example, values in the range between 0.3 kOhm and
1000 kOhm aufweisen. 1000 kOhm.
Besonders vorteilhaft kann der schaltbare Leiterabschnitt ein Material des Typs BaKBiO aufweisen. Unter diesem Typ soll ein Material verstanden werden, das als Verbindung der genannten vier Elemente vorliegt, insbesondere als Verbindung der Zu¬ sammensetzung BaxKyBi03, wobei beispielsweise x etwa 0,6 und y etwa 0,4 sein kann. Hierbei handelt es sich um ein kerami- sches supraleitendes Material, welches durch eine für einParticularly advantageously, the switchable conductor section may comprise a material of the BaKBiO type. Under this type of a material to be understood, which is present as the compound of these four elements, in particular the compound of the composition Ba x to ¬ K y Bi03, wherein, for example, x is about 0.6 and y may be about 0.4. This is a ceramic superconducting material, which is characterized by one for a
HTS-Material vergleichsweise niedrige Sprungtemperatur im Be¬ reich von etwa 30 K und durch ein vergleichsweise niedriges oberes kritisches Magnetfeld von etwa 60 mT gekennzeichnet ist . HTS material is ¬ rich in comparatively low transition temperature in the loading of about 30 K and a relatively low upper critical magnetic field of approximately 60 mT.
Allgemein kann die obere kritische Magnetfeldstärke BC2 für das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts unterhalb oder bei 100 mT liegen. Eine derart niedrige kriti¬ sche Magnetfeldstärke BC2 bewirkt, dass der schaltbare Lei- terabschnitt leicht durch eine Veränderung eines lokal wir¬ kenden Magnetfeldes geschaltet werden kann. Beispielsweise kann die obere kritische Magnetfeldstärke BC2 im Bereich zwi¬ schen 40 mT und 80 mT liegen. Vorteilhaft liegt die Sprungtemperatur für das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts bei höchstens 50 K, beispielsweise zwischen 25 K und 35 K. Eine solche für einen Hochtemperatursupraleiter vergleichsweise niedrige Sprungtemperatur bewirkt, dass der schaltbare Leiterabschnitt leicht durch eine lokale Erwärmung geschaltet werden kann. Alterna¬ tiv zu einem echten Hochtemperatursupraleiter kann prinzipiell auch analog ein supraleitendes Material mit einer Sprung- temperatur unterhalb von 25 K für den schaltbaren Leiterbereich verwendet werden, sofern es sich bei diesem Material um ein keramisches Material handelt, welches somit nicht metal¬ lisch leitend ist. Eine Betriebstemperatur für den supraleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts kann vorteilhaft zwischen 4 K und 40 K liegen. Mit einer derartigen Betriebstemperatur kann erreicht werden, dass der Leiterabschnitt durch eine relativ geringe Temperaturerhöhung und/oder eine relativ geringe Er- höhung eines dort lokal wirkenden Magnetfeldes in den normal¬ leitenden Zustand gebracht werden kann. Besonders vorteilhaft liegt die Betriebstemperatur für den supraleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts zwischen 10 K und 25 K. Die Schaltzeit für das Umschalten des schaltbaren Leiterab¬ schnitts vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand kann vorteilhaft bei höchstens 0,5 s, insbesondere bei höchs¬ tens 0,1 s liegen. Eine derart kurze Öffnungszeit hat den Vorteil, dass bei einer Entladung der supraleitenden Spulen- wicklung ein hoher Anteil der in der Spule gespeicherten elektrischen Energie auf den Abklingwiderstand oder den Ver¬ braucher übertragen wird und somit nicht im Dauerstromschal¬ ter oder der Spulenwicklung dissipiert wird. Dies gilt insbe¬ sondere auch für einen Störfall, bei dem das Entladen der Spulenwicklung möglichst schnell durchgeführt werden soll. Durch ein derart schnelles Entladen kann insbesondere er¬ reicht werden, dass es nicht zwangsläufig zu einem vollstän¬ digen Quenchen kommt. Mit anderen Worten kann die elektrische Spulenwicklung entladen werden und trotzdem im Wesentlichen im supraleitenden Zustand verbleiben, wenn beispielsweise nach einem lokalen Erwärmen das Öffnen des Dauerstromschalters schnell genug stattfindet, dass nur ein geringer Anteil der gespeicherten Energie in der Spulenwicklung dissipiert wird und somit die übrigen Bereiche der Spulenwicklung supra¬ leitend bleiben. Auch der lokal erwärmte Bereich kann nach einem derart schnellen Entladen schnell wieder seine Betriebstemperatur erreichen. Beispielsweise kann eine Magnet- spule eines Magnetresonanzgerätes nach einem solchen lokalen Erwärmen und einer nachfolgenden Entladung der Spule sehr schnell wieder zu ihrem ursprünglichen Betriebszustand zu¬ rückkehren, wenn kein Quenchen der Magnetspule und somit auch kein vollständiges Verdampfen des umgebenden flüssigen Heli- ums erfolgt. Somit werden Ausfallzeiten und Kühlmittelverbrauch reduziert. Insbesondere kann nach einem solchen Zwischenfall das System ferngesteuert wieder hochgefahren werden, und der nach einem vollständigen Quench üblicherweise benötigte Besuch eines Service-Technikers zum Nachfüllen des Heliums kann entfallen. In general, the upper critical magnetic field strength B C 2 for the superconducting material of the switchable conductor section may be below or at 100 mT. Such a low kriti ¬ specific magnetic field strength B C 2 causes the shiftable LEI terabschnitt can be easily switched by a change of a locally we ¬ kenden magnetic field. For example, the upper critical magnetic field strength B in the range C 2 Zvi ¬ rule 40 mT and 80 mT may be. Advantageously, the transition temperature for the superconducting material of the switchable conductor section is at most 50 K, for example between 25 K and 35 K. Such a relatively low transition temperature for a high-temperature superconductor causes the switchable conductor section to be easily switched by local heating. Alterna ¬ tively to a real high-temperature superconductor, a superconducting material with a jump can in principle also similarly be temperature used below 25 K for the switchable conductor region, provided they are in this material is a ceramic material which is therefore not metal ¬ cally conductive , An operating temperature for the superconducting state of the switchable conductor section can advantageously be between 4 K and 40 K. With such an operating temperature can be achieved that the conductor section can be brought into the normal ¬ conductive state by a relatively small increase in temperature and / or a relatively small increase in a locally acting magnetic field. Particularly advantageously, the operating temperature of the superconducting state of the switchable conductor section between 10 K and 25 K. The switching time for switching the switchable Leiterab ¬ section from the superconducting to the normally conducting state can advantageously be at most 0.5 s, in particular at Hoechsmann ¬ least 0 , 1 s lie. Such a short opening time has the advantage that, for a discharge of the superconducting coil, a high proportion of data stored in the coil electrical energy to the Abklingwiderstand or Ver ¬ consumers is transmitted and is thus not dissipated at constant current scarf ¬ ter or the coil winding. This applies in particular ¬ sondere for an incident in which the discharge of the coil winding is to be carried out as quickly as possible. Through such a rapid discharge in particular can be ¬ it enough that it does not necessarily lead to completeness, ¬ ended quenching. In other words, the electric Coil winding are discharged and still remain essentially in the superconducting state, for example, after a local heating, the opening of the persistent current switch takes place fast enough that only a small proportion of the stored energy is dissipated in the coil winding and thus remain the remaining portions of the coil winding supra ¬ conductive , Also, the locally heated area can quickly reach its operating temperature after such a rapid unloading. For example, very quickly return back to its original operating state ¬ a magnetic coil of a magnetic resonance apparatus according to such a local heating and a subsequent discharge of the coil when there is no quenching of the magnet coil and thus no complete evaporation of the surrounding liquid helium around takes place. This reduces downtime and coolant consumption. In particular, after such an incident, the system can be remotely restarted, and after a complete quench usually required visit of a service technician to refill the helium can be omitted.
Durch ein derart schnelles Schalten kann weiterhin die Gefahr der lokalen Überhitzung des Leitermaterials der Spule bei einem (vollständigen oder lokalen) Quench reduziert werden: Gerade bei Spulenwicklungen mit keramischen Hochtemperatursupraleitern oder Magnesiumdiborid ist die Gefahr des lokalen Überhitzens besonders groß, da diese Materialen eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und sich solche überhitzten Zo¬ nen entsprechend langsam ausbreiten. Ein schnelles Öffnen des Dauerstromschalters bei der Detektion eines lokalen Quenchs kann daher eine Materialschädigung dieser schlecht wärmeleitenden Supraleiter wirksam verhindern. By such a rapid switching the risk of local overheating of the conductor material of the coil can be further reduced at a (full or local) quench: Especially with coil windings with ceramic high-temperature superconductors or magnesium diboride, the risk of local overheating is particularly high, since these materials have a low thermal conductivity and such overheated zones will propagate correspondingly slowly. Rapid opening of the persistent current switch in the detection of a local quench can therefore effectively prevent material damage to these poorly thermally conductive superconductors.
Bei Ausführungsformen, bei denen der Dauerstromschalter dage- gen nicht zum plötzlichen Entladen bei einer lokalen Erwärmung der Spulenwicklung ausgelegt sein muss, ist es im Übrigen ausreichend, wenn der Schalter schnell genug öffnet, um ein kontrolliertes Entladen des Stroms hin zum Abklingwider- stand und/oder zum Verbraucher zu bewirken. Wenn also in einer Magnetresonanz-Spule kein plötzlicher Quench verhindert werden muss, sondern nur ein kontrolliertes Entladen beziehungsweise Herunterfahren des Systems ermöglicht werden soll, kann eine Schalter-Öffnungszeit von bis zu 10 s ausreichend sein. Dies gilt beispielsweise auch bei SMES-Systemen oder bei Erregerspulen elektrischer Maschinen, bei denen typischerweise nicht mit derart plötzlichen Quench-Vorgängen ge¬ rechnet werden muss und auch beim Entladen nicht so hohe Energiemengen dissipiert werden müssen wie bei Magnetreso¬ nanzsystemen . By contrast, in embodiments in which the persistent current switch need not be designed for sudden discharge upon local heating of the coil winding, it is sufficient if the switch opens fast enough to allow controlled discharge of the current to the decay resistance. and / or to the consumer. So if in a magnetic resonance coil no sudden quench must be prevented, but only a controlled discharge or shutdown of the system is to be made possible, a switch opening time of up to 10 s may be sufficient. This is the case even in SMES systems or excitation coils of electric machines, which typically do not ge with such sudden quenching processes ¬ expects to be and when unloading not as large amounts of energy must be dissipated as Magnetreso ¬ nanzsystemen.
Die Spuleneinrichtung kann eine weitere Magnetspule zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldes Bext zum Schalten des schaltbaren Leiterabschnitts aufweisen. Beispielsweise kann durch ein Einschalten einer solchen Magnetspule ein Öffnen des Dauerstromschalters bewirkt werden, indem durch das Mag¬ netfeld Bext ein Überschreiten der oberen kritischen Magnet¬ feldstärke BC2 des supraleitenden Materials des Dauerstrom- Schalters bewirkt wird. Das Öffnen des Dauerstromschalters kann dabei prinzipiell allein durch eine Veränderung des lo¬ kalen Magnetfeldes oder durch eine Kombination zwischen magnetischem und thermischem Schalten erfolgen. Das Magnetfeld der weiteren Magnetspule kann dabei auch einem bereits vor- handenen Magnetfeld überlagert sein, um ein Magnetfeld Bext zu erzeugen, mit dem die Magnetfeldstärke BC2 überschritten wer¬ den kann. The coil device may have a further magnetic coil for generating a local magnetic field B ext for switching the switchable conductor section. For example, an opening of the permanent current switch may be effected by a turning of such a magnetic coil by ext by the Mag ¬ netfeld B exceeding the upper critical magnetic field strength B ¬ C 2 of the superconductive material of the permanent current switch is effected. The opening of the persistent current switch can in principle be effected solely by a change in the lo ¬ cal magnetic field or by a combination of magnetic and thermal switching. The magnetic field of the further magnet coil can also be an already superimposed pre handenen magnetic field thereby to generate a magnetic field B ext with which the magnetic field strength exceeded B C 2 who can ¬.
Die Spuleneinrichtung kann eine um den schaltbaren Leiterab- schnitt angeordnete Abschirmspule mit einem in sich kurzge¬ schlossenen Strompfad aufweisen, wobei der kurzgeschlossene Strompfad durch einen schaltbaren Leiterabschnitt der Ab¬ schirmspule geöffnet werden kann. Mit anderen Worten kann über diesen weiteren schaltbaren Leiterabschnitt der ge- schlossene Strompfad der Abschirmspule geöffnet werden, was die magnetisch abschirmende Wirkung erheblich reduziert. Auf diese Weise kann ein magnetisches Hintergrundfeld, was vorher durch die Abschirmspule weitgehend abgeschirmt wurde, auf den schaltbaren Leiterbereich des Dauerstromschalters einwirken und diesen durch ein Überschreiten dessen oberer kritischer Magnetfeldstärke BC2 in seinen normalleitenden Zustand brin¬ gen, also den Dauerstromschalter öffnen. The coil means may comprise a switchable arranged around the conductor portion with a shielding shorted ¬ closed in itself current path, the short-circuited current path can be opened by a switchable portion of the conductor from ¬ screen coil. In other words, the closed current path of the shielding coil can be opened via this further switchable conductor section, which considerably reduces the magnetically shielding effect. In this way, a magnetic background field, which was previously largely shielded by the shielding, on the switchable conductor area of the persistent current switch act and this brin ¬ gene by exceeding its upper critical magnetic field strength B C 2 in its normal conducting state, so open the persistent current switch.
Wie im einleitenden Teil bereits beschrieben, kann es sich bei der Spuleneinrichtung beispielsweise um eine Magnetspu¬ leneinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Gerät zur Magnetresonanzbildgebung oder Magnetresonanzspektros- kopie handeln. Alternativ kann es sich um eine Erregerspuleneinrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Erregerfeldes in einer rotierenden elektrischen Maschine handeln. Oder es kann sich beispielsweise um eine Magnetspuleneinrichtung zur Speicherung von Energie in einem supraleitenden mag- netischen Energiespeicher (SMES) handeln. Prinzipiell ist die Grundidee der vorliegenden Erfindung für alle Systeme geeignet, bei denen ein Dauerstrom in einem kurzgeschlossenen supraleitenden Spulensystem fließt. As already described in the introductory part, may be copy in the coil means, for example, a Magnetspu ¬ leneinrichtung for generating a magnetic field in a magnetic resonance imaging apparatus or Magnetresonanzspektros-. Alternatively, it can be an excitation coil device for generating an electromagnetic exciter field in a rotating electrical machine. Or it may, for example, be a magnetic coil device for storing energy in a superconducting magnetic energy store (SMES). In principle, the basic idea of the present invention is suitable for all systems in which a continuous current flows in a short-circuited superconducting coil system.
Das supraleitende Leitermaterial der Spulenwicklung kann prinzipiell ein anderes Material sein als das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts. Insbesondere kann das Material der Spulenwicklung auch Magnesiumdiborid aufwei¬ sen oder es kann sich um einen metallischen Supraleiter handeln, also beispielsweise ein auf NbTi oder Nb3Sn basierendes Material. Alternativ können das supraleitende Material der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters auch identisch sein oder zumindest gleiche Bestandteile aufweisen. Die Spu¬ lenwicklung kann auch ein anderes keramisches HTS-Material aufweisen als der Dauerstromschalter, beispielsweise ein Material des Typs REBa2Cu3Ox (kurz REBCO) , wobei RE für ein Ele¬ ment der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht . In den Fällen, in denen unterschiedliche supraleitende Mate- rialen für Spulenwicklung und Dauerstromschalter zum Einsatz kommen, müssen diese Materialien für den geschlossenen Stromkreis supraleitend beziehungsweise mit einem möglichst gerin- gen Verbindungswiderstand miteinander verbunden werden. Supraleitende Verbindungen zwischen einem keramischen Supraleiter und einem auf NbTi basierenden Leiter sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Aufgrund der großen Kohärenz- länge von NbTi sind solche supraleitenden Verbindungen relativ leicht herstellbar. Beispielsweise kann ein massiver keramischer Supraleiter mit Bohrungen versehen werden, die zur Kontaktierung mit NbTi-Filamenten und supraleitendem Lot gefüllt werden. Alternativ kann eine Kontaktierung über eine Pressversinterung geschaffen werden. The superconducting conductor material of the coil winding may in principle be a different material than the superconducting material of the switchable conductor section. In particular, the material of the coil winding can also magnesium diboride aufwei ¬ sen or it may be a metallic superconductor, so for example, a system based on NbTi or Nb3Sn material. Alternatively, the superconducting material of the coil winding and the persistent current switch may also be identical or at least have the same components. The SPU ¬ lenwicklung may also have another ceramic HTS material than the persistent current switch, for example a material of the type REBa 2 Cu 3 O x (short REBCO), where RE stands for a Ele ¬ element of the rare earths or a mixture of such elements. In cases in which different superconducting materials are used for coil winding and permanent-current switch, these materials for the closed circuit must be superconducting or with a minimum of gene connection resistance are interconnected. Superconducting connections between a ceramic superconductor and an NbTi-based conductor are already known from the prior art. Due to the large coherence length of NbTi, such superconducting compounds are relatively easy to produce. For example, a solid ceramic superconductor can be provided with holes that are filled for contacting with NbTi filaments and superconducting solder. Alternatively, a contact can be created via a press sintering.
Bei dem Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms kann zum Umschalten ein am Ort des schaltbaren Leiterabschnitts wirkendes Magnetfeld Bext verändert werden. Diese Veränderung kann beispielsweise durch Ein- oder Ausschalten einer Magnetspule oder durch Unterbrechen oder Zusammenschließen einer magnetischen Abschirmspule bewirkt werden. Dabei bewirkt ein höheres lokales Magnetfeld Bext ein Öffnen des Schalters und ein niedrigeres lokales Magnetfeld ein Schließen des Schalters, sofern dabei das für die jeweilige Temperatur maßgebliche obere kritische Magnetfeld BC2 über- oder unterschritten wird. Alternativ oder zusätzlich kann durch ein Heizen des schaltbaren Bereichs ein Öffnen des Schalters bewirkt werden beziehungsweise durch ein Entfernen der Heizung ein Schließen des Schalters bewirkt werden. Mit anderen Worten kann der Dauerstromschalter entweder magnetisch geschaltet werden oder thermisch oder durch eine Kombination beider Methoden. Dabei wird generell der Dauerstromschalter zum Be- oder Entladen der Spulenwicklung geöffnet und für einen Betrieb der Spulenwicklung im Dauerstrommodus geschlossen . In the method for loading or unloading a continuous current, a magnetic field B ex t acting at the location of the switchable conductor section can be changed for switching over. This change can be effected, for example, by switching a magnetic coil on or off or by breaking or joining a magnetic shielding coil. In this case, causes a higher local magnetic field B ex t opening the switch and a lower local magnetic field closing the switch, provided that the relevant for the respective temperature upper critical magnetic field B C 2 is exceeded or fallen below. Alternatively or additionally, opening of the switch can be effected by heating the switchable region, or closure of the switch can be effected by removal of the heating. In other words, the persistent current switch can be switched either magnetically or thermally or by a combination of both methods. In this case, the continuous current switch is generally opened for loading or unloading the coil winding and closed for operation of the coil winding in the continuous current mode.
Das Entladen des Dauerstroms kann beispielsweise gezielt aus¬ gelöst werden, wenn in der Spulenwicklung eine lokale Erwär- mung detektiert wird. Ein schnelles und insbesondere automa¬ tisches Entladen bei einem solchen Ereignis kann die Spulenwicklung vor einem kompletten Zusammenbruch der supraleiten- den Eigenschaften und das System vor einem Verlust des Kühlmittels bewahren. The discharging of the continuous current can for example be selectively eliminated from ¬ if a local heating is detected in the coil winding. A fast and especially automatic ¬ diagram unloading in such an event, the coil winding before a complete collapse of the super- conducting protect the features and system from loss of coolant.
Alternativ kann das Entladen auch manuell oder anderweitig durch eine Kontrolleinheit gesteuert ausgelöst werden, bei¬ spielsweise bei einem kontrollierten Herunterfahren des Systems, bei der Entnahme der in einem SMES-System gespeicherten Energie oder auch bei der Betätigung eines Notaus-Schalters. Alternatively, the discharge can also be triggered manually or otherwise controlled by a control unit, in ¬ example, in a controlled shutdown of the system, in the removal of stored energy in an SMES system or even when pressing an emergency stop switch.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: In the following, the invention will be described by means of some preferred embodiments with reference to the appended drawings, in which:
Figur 1 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spulenein¬ richtung nach dem Stand der Technik zeigt, 1 shows a schematic equivalent circuit diagram of a Spulenein ¬ direction according to the prior art,
Figur 2 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spulenein¬ richtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,Figure 2 shows a schematic equivalent circuit diagram of a Spulenein ¬ device according to a first embodiment,
Figur 3 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spulenein¬ richtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, Figure 3 shows a schematic equivalent circuit diagram of a Spulenein ¬ direction according to a second embodiment,
Figur 4 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit von oberer kritischer Magnetfeldstärke von der Temperatur für einen Dauerstromschalter nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,  FIG. 4 shows a schematic representation of the dependency of the upper critical magnetic field strength on the temperature for a persistent current switch according to a third exemplary embodiment,
Figur 5 einen Dauerstromschalter nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,  FIG. 5 shows a persistent current switch according to a fourth exemplary embodiment,
Figur 6 einen Dauerstromschalter nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und  Figure 6 shows a persistent current switch according to a fifth embodiment and
Figur 7 einen Dauerstromschalter nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt.  Figure 7 shows a persistent current switch according to a sixth embodiment.
In Figur 1 ist ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spu¬ leneinrichtung 1 nach dem Stand der Technik gezeigt. Gezeigt ist eine supraleitende Spulenwicklung 3, die zusammen mit einem Dauerstromschalter 6 innerhalb eines Kryostaten 11 angeordnet ist. Durch den Kryostaten können die supraleitenden Leiterelemente der Spulenwicklung 3 und des Dauerstromschal¬ ters 6 auf eine Temperatur unterhalb ihrer jeweiligen Sprung- temperatur gekühlt werden. Über die Spulenwicklung 3 und den Dauerstromschalter 6 ist ein geschlossener Stromkreis 5 ausgebildet, in dem ein Dauerstrom I i bedingt durch die supra¬ leitenden Eigenschaften nahezu verlustfrei fließen kann und somit über die Zeit nicht oder nur äußerst langsam abklingt. Bei der Spuleneinrichtung 1 kann es sich beispielsweise um eine Magnetspuleneinrichtung eines Magnetresonanzgeräts han¬ deln . Um den Dauerstrom I i in der Spulenwicklung 3 erstmalig aufzuladen, kann der bisher beschriebene Teil des geschlossenen Stromkreises mit einer äußeren Stromquelle 13 verbunden wer¬ den und zwar so, dass diese Stromquelle 13 dem Dauerstrom¬ schalter 6 parallelgeschaltet ist. Die Stromquelle 13 ist hierbei außerhalb des Kryostaten 11 angeordnet. Sie kann über einen Schalter 10 mit den übrigen Komponenten elektrisch verbunden werden. Bei einem Betrieb der Spuleneinrichtung 1 kann sie entweder wie in Figur 1 gezeigt über eine Leitung mit den übrigen Komponenten verbunden bleiben, oder sie kann auch nach einem Beladevorgang von der Spuleneinrichtung 1 abgetrennt werden. Zum Beladen wird der Dauerstromschalter geöffnet, das heißt, er wird von seinem supraleitenden Zustand in einen normalleitenden Zustand versetzt, wodurch sich sein Leitungswiderstand stark erhöht. Im geöffneten Zustand fließt somit lediglich ein kleiner Leckstrom über den Dauerstromschalter 6, und der Großteil des von der Stromquelle 13 er¬ zeugten Ladestroms I2 wird als Strom in die Spulenwicklung 3 eingespeist. Wird nun der Dauerstromschalter durch einen Wechsel in seinen supraleitenden Zustand wieder geschlossen, und danach der Ladestrom I2 heruntergefahren, verbleibt der Strom I i als ringförmiger Dauerstrom in der Spulenwicklung. Das Schalten des Dauerstromschalters wird nach dem Stand der Technik typischerweise durch Ein- und Ausschalten eines Heizelements bewirkt. 1 shows a schematic equivalent circuit diagram of an SPU ¬ leneinrichtung 1 according to the prior art is shown. Shown is a superconducting coil winding 3, which is arranged together with a persistent current switch 6 within a cryostat 11. By the cryostat, the superconducting conductor elements of the coil winding 3 and the Dauerstromschal ¬ ters 6 to a temperature below their respective jump temperature to be cooled. About the coil winding 3 and the persistent current switch 6, a closed circuit 5 is formed in which a continuous current I i can flow almost lossless due to the supra ¬ conductive properties and thus does not decay or only extremely slowly over time. In the coil device 1 may be, for example, punching han ¬ a magnet coil means of a magnetic resonance apparatus. To charge the continuous current I i for the first time in the coil winding 3, the hitherto described part of the closed circuit to an external power source 13 may be connected ¬ the in such a way that this current source is connected in parallel with the continuous current ¬ switch 6. 13 The current source 13 is in this case arranged outside the cryostat 11. It can be electrically connected via a switch 10 with the other components. During operation of the coil device 1, it can either remain connected to the other components via a line as shown in FIG. 1, or it can also be disconnected from the coil device 1 after a loading operation. For loading, the continuous current switch is opened, that is, it is set from its superconducting state to a normal conducting state, whereby its line resistance increases greatly. In the open state thus flows only a small leakage current through the persistent current switch 6, and the majority of the power source 13, he testified ¬ charging current I 2 is fed as a current in the coil winding. 3 Now, if the persistent current switch closed by a change in its superconducting state, and then shut down the charging current I 2 , the current I i remains as a ring-shaped continuous current in the coil winding. The switching of the persistent current switch is typically effected by turning on and off a heating element in the prior art.
Ein Entladen der in Figur 1 gezeigten Spuleneinrichtung 1 kann beispielsweise dadurch ausgelöst werden, dass ein Lei¬ terabschnitt der Spulenwicklung 3 lokal erwärmt wird und da- durch normalleitend wird. Nach dem Stand der Technik breitet sich ein solches Gebiet schnell aus und führt zu einem Quen- chen der ganzen Spule, wobei die Spulenwicklung 3 stark erwärmt wird. Ein kontrolliertes Entladen in den außerhalb des Kryostaten angeordneten parallelen Belade-Stromkreis ähnlich wie beim Beladen wäre theoretisch ebenfalls möglich, jedoch sind die bekannten Dauerstromschalter 6 allgemein zu langsam, um nach einem anfänglichen lokalen Erwärmen eines Teils des supraleitenden Leiters einen vollständigen Quench zu verhin- dern. A discharging of the coil device 1 shown in FIG. 1 can be triggered, for example, by a Lei ¬ terabschnitt of the coil winding 3 is locally heated and there- through normal conducting becomes. According to the state of the art, such a region spreads rapidly and leads to a quenching of the entire coil, whereby the coil winding 3 is strongly heated. Controlled discharge into the parallel loading circuit external to the cryostat, similar to loading, would also be theoretically possible, but the known persistent current switches 6 are generally too slow to prevent complete quenching after initial local heating of a portion of the superconducting conductor ,
Figur 2 zeigt ein ähnliches schematisches Ersatzschaltbild einer Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine zu Figur 1 analoge An- Ordnung von Spulenwicklung 3, Dauerstromschalter 6, Kryostat 11 und äußerer Stromquelle 13. Zusätzlich zu diesen Komponenten ist dem Dauerstromschalter 6 ein außerhalb des Kryostaten 11 angeordneter Abklingwiderstand 9a parallelgeschaltet. Die¬ ser Abklingwiderstand 9a weist einen Widerstandswert von we- nigstens 50 Ohm auf. Das Beladen der Spuleneinrichtung 1 mit Hilfe der Stromquelle 13 erfolgt analog wie für Figur 1 be¬ schrieben. Auch hier kann die Stromquelle nach dem Beladen entweder abgetrennt werden oder mit dem übrigen System verbunden bleiben. Beim Laden fließt lediglich ein äußerst ge- ringer Anteil des Ladestroms I 2 über den Abklingwiderstand 9a, da dieser Widerstand deutlich höher ist als der gesamte Widerstand der Spulenwicklung 3 im supraleitenden Zustand. Figure 2 shows a similar schematic equivalent circuit diagram of a coil device 1 according to a first embodiment of the invention. Shown is an analogous to Figure 1 arrangement of coil winding 3, persistent current switch 6, cryostat 11 and external current source 13. In addition to these components, the persistent current switch 6 is a decay resistor 9a arranged outside the cryostat 11 is connected in parallel. The ¬ ser Abklingwiderstand 9a has a resistance of 50 ohms WE nigstens. The loading of the coil device 1 by means of the current source 13 is analogous as for Figure 1 ¬ written . Again, the power source after loading can either be disconnected or remain connected to the rest of the system. During charging, only an extremely small proportion of the charging current I 2 flows through the Abklingwiderstand 9a, since this resistance is significantly higher than the total resistance of the coil winding 3 in the superconducting state.
Bei einem Entladen des in der Spulenwicklung 3 fließenden Dauerstroms I i kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Spuleneinrichtung durch ein Öffnen des Dauerstromschalters 6 ein Abfließen eines erheblichen Anteils des Stroms über den parallelgeschalteten Abklingwiderstand 9a bewirkt werden. Beim Öffnen des Dauerstromschalters 6 wird ein schaltbarer Leiterabschnitt des geschlossenen Stromkreises 5 von einem supraleitenden in einen normalleitenden Zustand versetzt, und der Widerstand erhöht sich entsprechend stark. Der Widerstand des Leiterabschnitts im normalleitenden Zustand soll hier we- nigstens 300 Ohm betragen, damit beim Entladen nur ein möglichst geringer Teil des Stroms als Leckstrom I4 über diesen geöffneten Dauerstromschalter 6 fließt. Das Verhältnis zwischen dem über den Abklingwiderstand 9a fließenden Entlade- ström I3 und dem über den geöffneten Schalter 6 fließenden Leckstrom I4 ist dabei über das Verhältnis der Widerstände des Abklingwiderstands 9a und des geöffneten Schalters vorge¬ geben. Daher ist ein möglichst hoher Widerstand des geöffne¬ ten Dauerstromschalters 6 vorteilhaft, um beim Entladen einen möglichst hohen Anteil des Stroms über den Abklingwiderstand 9a fließen zu lassen und so insbesondere eine unerwünschte Erwärmung der im Kryostaten angeordneten Elemente zu vermeiden . Ein kontrollierter Entladevorgang kann durch ein Umschalten des Dauerstromschalters 6 in seinen normalleitenden Zustand ausgelöst werden. Bei einem günstigen Widerstandsverhältnis kann abhängig von im Stromkreis 5 anliegender Spannung, Strom und gespeicherter Energie sowie von den Betriebspunkten der supraleitenden Leiterelemente vorteilhaft ein Quenchen derWhen discharging the current flowing in the coil winding 3 continuous current I i, in the embodiment of the coil device according to the invention by opening the persistent current switch 6, a significant portion of the flow through the parallel Abklingwiderstand 9a be effected. When the permanent current switch 6 is opened, a switchable conductor section of the closed circuit 5 is switched from a superconducting state to a normal conducting state, and the resistance increases accordingly. The resistance of the conductor section in the normal conducting state should here amounting to at least 300 ohms, so that when discharging only a small part of the current as leakage current I 4 flows through this open permanent current switch 6. The ratio between the current flowing through the discharge Abklingwiderstand 9a Ström I3 and the current flowing through the switch 6 open leakage current I 4 is provided over give the ratio of the resistances of the Abklingwiderstands 9a and the opened switch ¬. Therefore, a highest possible resistance of the geöffne ¬ th permanent current switch 6 is advantageous in order to flow on unloading a very high proportion of the current through the Abklingwiderstand 9a and to avoid in particular an undesirable heating of the elements arranged in the cryostat. A controlled discharge can be triggered by switching the persistent current switch 6 in its normal conducting state. At a favorable resistance ratio may be dependent on voltage applied in the circuit 5, current and stored energy as well as the operating points of the superconducting conductor elements advantageously a quench the
Supraleitung in der Spulenwicklung 3 vermieden werden. Unter dem Betriebspunkt soll hierbei insbesondere die Betriebstem¬ peratur und das im Bereich der Leiter lokal wirkende Magnet¬ feld verstanden werden. Superconductivity in the coil winding 3 can be avoided. Under the operating point here in particular the Betriebstem ¬ temperature and the locally acting in the region of the conductor magnetic field ¬ is to be understood.
Ein unkontrollierter, also spontan ausgelöster Entladevorgang, kann wie beschrieben durch ein lokales Erwärmen eines Leiterbereichs der Spulenwicklung 3 ausgelöst werden. Vorteilhaft kann ein solcher lokaler Quench durch einen Sensor detektiert werden, und es kann daraufhin ein Öffnen des Dauerstromschalters 6 ausgelöst werden, was wie oben beschrieben im Folgenden zu einer Entladung eines großen Teil des Stroms als Entladestrom I3 über den Abklingwiderstand bewirkt. Auch hier kann bei einem ausreichend hohen Widerstandsverhältnis und wiederum abhängig von Spannung, Strom, Energie und Betriebspunkten durch die schnelle Entladung ein Quenchen der gesamten Spulenwicklung 3 vorteilhaft vermieden werden. Vorteilhaft für eine erfolgreiche Vermeidung eines solchen voll- ständigen Quenchs ist eine ausreichend schnelle Öffnungszeit des Dauerstromschalters 6, die vorteilhaft bei weniger als 0,5 s liegen kann. Ein derart schnelles Schalten kann insbesondere dann ermöglicht werden, wenn das Umschalten zwischen supraleitendem Zustand und normalleitenden Zustand zumindest zum Teil durch die Änderung eines lokal wirkenden Magnetfel¬ des verursacht wird, da ein solches Magnetfeld typischerweise wesentlich schneller geschaltet werden kann als die Temperatur des schaltbaren Leiterabschnitts verändert werden kann. Durch die Wärmekapazitäten der an einen solchen Leiterabschnitt typischerweise thermisch angekoppelten Elemente ist ein rein thermisches Schalten normalerweise langsamer als ein zumindest zum Teil auf der Änderung elektromagnetischer Felder beruhendes Schalten. Ein schnelles Schalten ist somit vor allem für die Vermeidung eines Quenchs bei einem spontan ausgelösten Entladen vorteilhaft. Ist ein solches spontanes Er¬ eignis dagegen durch die Wahl der Betriebsbedingungen der Spulenwicklung 3 weitgehend auszuschließen und muss nur ein kontrolliertes Entladen ermöglicht werden, dann kann der Dau- erstromschalter 6 auch langsamer geschaltet werden, also zum Beispiel auch durch rein thermisch getriggertes Schalten. An uncontrolled, ie spontaneously triggered discharge, can be triggered as described by a local heating of a conductor region of the coil winding 3. Advantageously, such a local quench can be detected by a sensor, and then an opening of the persistent current switch 6 can be triggered, which as described above subsequently causes a discharge of a large part of the current as discharge current I3 via the Abklingwiderstand. Again, with a sufficiently high resistance ratio and in turn dependent on voltage, current, energy and operating points due to the rapid discharge quenching of the entire coil winding 3 can be advantageously avoided. Advantageous for a successful avoidance of such a complete constant quench is a sufficiently fast opening time of the persistent current switch 6, which may advantageously be less than 0.5 s. Such rapid switching may in particular be possible when switching between the superconducting state and the normal conducting state is caused at least in part of a locally acting Magnetfel ¬ by the change of, since such a magnetic field can be switched much faster typically as the temperature of the switchable conductor portion can be changed. Due to the heat capacities of the elements typically thermally coupled to such a conductor section, purely thermal switching is normally slower than switching based at least in part on the change of electromagnetic fields. Fast switching is thus advantageous, above all, for avoiding quenching in the event of spontaneous discharge. If such a spontaneous He ¬ eignis however, largely ruled by the choice of operating conditions of the coil winding 3 and just have a controlled unloading are made possible, then your thumb can also be switched erstromschalter 6 slower, so, for example, by means of heat-triggered switching.
Figur 3 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spu¬ leneinrichtung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Spuleneinrichtung 1 ist ähnlich aufgebaut wie bei dem Beispiel der Figur 2. Im Unterschied hierzu ist an¬ stelle des Abklingwiderstandes 9a ein Verbraucher 9b parallel zum Dauerstromkreis 5 angeordnet. Bei dem Beispiel der Figur 3 kann es sich insbesondere um ein SMES-System handeln, bei dem überschüssige elektrische Energie eines übergeordnetenFigure 3 shows a schematic equivalent circuit diagram of an SPU ¬ leneinrichtung 1 according to a second embodiment of the invention. The coil device 1 is similarly constructed as in the example of Figure 2. In contrast to this, in the ¬ Abklingwiderstandes 9a place a consumer 9b parallel to the constant current circuit 5 is arranged. The example of FIG. 3 may be, in particular, an SMES system, in which excess electrical energy of a superordinate energy source is used
Stromkreises in der Spulenwicklung 3 zwischengespeichert wer¬ den kann. Um diese Energie für den Verbraucher 9b nutzbar zu machen, kann nun wiederum ein kontrollierter Entladevorgang durch ein Öffnen des Dauerstromschalters 6 ausgelöst werden. Analog wie oben beschrieben fließt dann bei geöffnetem Schalter 6 ein Entladestrom I5 über den Verbraucher 9b, so dass die vorher in der Spulenwicklung gespeicherte elektrische Energie vom Verbraucher 9b genutzt werden kann. Um eine hohe Nutzungseffizienz für diese Energie zu gewährleisten, sollte hierfür das Verhältnis zwischen dem Widerstand des geöffneten Dauerstromschalters 6 und dem effektiven Widerstand des Ver¬ brauchers 9b möglichst hoch sein, beispielsweise bei wenigs- tens 10:1, insbesondere wenigstens 100:1. So kann ein über den geöffneten Dauerstromschalter fließender Leckstrom I4 möglichst gering gehalten werden und der hiermit verbundene Energieverbrauch wird reduziert. Ein zusätzlicher, optionaler Schalter 10a kann beim Beispiel der Figur 3 zwischen Verbrau- eher und Spulenwicklung 3 angeordnet sein, um den Verbraucher nur bei Bedarf mit dem Energiespeichersystem zu verbinden. Circuit cached in the coil winding 3 who ¬ can. In order to make this energy usable for the consumer 9b, a controlled discharging process can again be triggered by opening the persistent current switch 6. Analogously, as described above, when the switch 6 is open, a discharge current I 5 flows through the load 9b, so that the electrical energy previously stored in the coil winding can be used by the consumer 9b. To a high To ensure utilization efficiency for this energy, the relationship between the resistance of the open persistent current switch 6 and the effective resistance of the Ver ¬ brauchers 9b should therefor be very high, for example at least 10: 1, especially at least 100: 1. Thus, a current flowing through the open permanent current switch leakage current I 4 are kept as low as possible and the associated energy consumption is reduced. An additional, optional switch 10a can be arranged in the example of FIG. 3 between the consumer and the coil winding 3 in order to connect the consumer to the energy storage system only when required.
Figur 4 zeigt eine Auftragung des im Bereich eines Dauerstromschalters 6 lokal wirkenden Magnetfeldes Bext gegen die Temperatur T. Als Kurve ist in diesem Koordinatensystem die Abhängigkeit der oberen kritischen Magnetfeldstärke BC2 des supraleitenden Materials des schaltbaren Leiterabschnitts von der Betriebstemperatur T, also BC2 (T) gezeigt. Diese Kurve BC2 (T) ist im Bereich niedriger Temperaturen eine relativ flach abfallende Funktion der Temperatur und fällt zu höheren Temperaturen hin immer steiler ab. Tc kennzeichnet dabei die Sprungtemperatur des Materials für ein gegen Null gehendes lokales Magnetfeld Bext. Oberhalb dieser Temperatur ist kein supraleitender Zustand möglich. Gezeigt ist ein schematischer beispielhafter Verlauf für ein keramisches Supraleitermaterial, wobei die genauen Werte stark materialabhängig sind. Für Betriebspunkte P - also Wertepaare von Betriebstemperatur TP und lokalem Magnetfeld BP - die links unterhalb der gezeigten Kurve liegen, ist das schaltbare Leitermaterial supraleitend, für rechts oberhalb der Kurve liegende Betriebspunkte ist es dagegen normalleitend. Durch eine Verschiebung des gezeigten, zunächst supraleitenden Betriebspunktes P über die Kurve BC2 (T) hinaus ist somit ein Öffnen des Dauerstromschalters möglich . FIG. 4 shows a plot of the locally acting magnetic field B ex t in the region of a continuous current switch 6 against the temperature T. As a curve, the dependence of the upper critical magnetic field strength B C 2 of the superconducting material of the switchable conductor section on the operating temperature T, ie B, is in this coordinate system C 2 (T) shown. This curve B C 2 (T) is a relatively shallowly decreasing function of temperature in the low temperature range and decreases steeper and steeper towards higher temperatures. T c indicates the critical temperature of the material for a local magnetic field B ext going to zero. Above this temperature no superconducting state is possible. Shown is a schematic exemplary course for a ceramic superconductor material, wherein the exact values are highly dependent on material. For operating points P - ie value pairs of operating temperature T P and local magnetic field B P - which are left below the curve shown, the switchable conductor material is superconducting, for operating points right above the curve, it is normally conducting. By a shift of the shown, initially superconducting operating point P on the curve B C 2 (T) addition, thus opening the persistent current switch is possible.
Wie in Figur 4 dargestellt, kann ein solches Öffnen des Dau¬ erstromschalters prinzipiell auf unterschiedliche Weisen be¬ wirkt werden, da entweder die Temperaturabhängigkeit der sup- raleitenden Eigenschaften oder die Magnetfeldabhängigkeit oder beides gleichzeitig ausgenutzt werden kann. Der mit dem Bezugszeichen 14a gekennzeichnete Pfeil zeigt einen Wechsel des Betriebspunktes P, bei dem nur die Temperatur verändert wird. Ein solches rein thermisches Schalten in den normallei¬ tenden Betriebsbereich kann daher durch ein lokales Aufheizen des schaltbaren Leiterabschnitts ausgelöst werden. Im Unter¬ schied hierzu zeigt der mit dem Bezugszeichen 14b gekennzeichnete Pfeil einen Wechsel des Betriebspunktes P, bei dem nur das lokal wirkende Magnetfeld Bext verändert wird. Bei einem solchen rein magnetischen Schalten kann also beispielsweise durch Einschalten einer Magnetspule oder durch Unterbrechen einer magnetischen Abschirmung ein Zusammenbruch der Supraleitung bewirkt werden. Schließlich zeigt der mit dem Bezugszeichen 14c gekennzeichnete Pfeil ein kombiniertes thermisch-magnetisches Schalten, bei dem durch gleichzeitige Änderung von Temperatur und Magnetfeld das Material in den normalleitenden Zustand gebracht wird. Dabei kann der Anteil der Änderung dieser beiden Betriebsparameter auch unter- schiedlich gewählt werden. Wesentlich ist, dass durch ein Zusammenwirken beider Änderungen ein solcher Wechsel besonders effektiv bewirkt werden kann. Für die Schaltvarianten 14b und 14c, bei denen das Öffnen zumindest zum Teil durch die Ände¬ rung des Magnetfeldes Bext bewirkt wird, kann das Schalten allgemein prinzipiell schneller erfolgen als bei dem rein thermischen Schalten 14a. Gerade bei keramischen Hochtemperatursupraleitern, die aufgrund ihrer schlechten Leitfähigkeit nach Zusammenbruch der Supraleitung für die vorliegende Erfindung bevorzugt werden, ist ein rein thermisches Schalten durch die schlechte thermische Leitfähigkeit typischerweise langsamer als ein zumindest magnetisch unterstütztes Schal¬ ten . As shown in Figure 4, such a opening Dau ¬ erstromschalters can be ¬ acts in different ways in principle because either the temperature dependence of the sup- raleitenden properties or the magnetic field dependence or both can be exploited simultaneously. The arrow marked with the reference numeral 14a shows a change of the operating point P, in which only the temperature is changed. Such a purely thermal switching in the normallei ¬ border operating range can therefore be triggered by a local heating of the switchable conductor section. In contrast to this, the arrow marked with the reference symbol 14b shows a change of the operating point P, in which only the locally acting magnetic field B ex t is changed. In such a purely magnetic switching, for example, by switching on a magnetic coil or by interrupting a magnetic shield, a collapse of the superconductivity can be effected. Finally, the arrow indicated by the reference numeral 14c shows a combined thermal-magnetic switching in which the material is brought into the normal conducting state by simultaneous change of temperature and magnetic field. In this case, the proportion of the change of these two operating parameters can also be chosen differently. It is essential that such a change can be effected particularly effectively by a combination of both changes. For the switching variants 14b and 14c, in which the opening is effected at least in part by the change ¬ tion of the magnetic field B ex t, the switching can generally generally be faster than in the purely thermal switching 14a. Especially in ceramic high-temperature superconductors, which are preferred for the present invention due to their poor conductivity after collapse of the superconductivity, a purely thermal switching by the poor thermal conductivity is typically slower than an at least magnetically supported Schal ¬ th.
Um ein möglichst schnelles Schalten zu ermöglichen, ist es günstig, wenn der Betriebspunkt P wie in der Figur 4 schema¬ tisch angedeutet, eher in der Nähe des flachen Bereichs der Kurve BC2 (T) liegt. Dann kann bereits eine geringe Änderung des lokalen Magnetfelds Bext ein Öffnen des Schalters auslö- sen, während das Risiko für ein ungewolltes Öffnen durch thermische Schwankungen gering ist. In order to enable the fastest possible switching, it is favorable when the operating point P indicated schematically ¬ table as shown in Figure 4, rather in the vicinity of the flat portion of the curve B C 2 (T). Then even a slight change in the local magnetic field B ex t can trigger an opening of the switch. while the risk of accidental opening due to thermal fluctuations is low.
Vorteilhaft liegt ein Abstand des Betriebspunktes P von der Kurve BC2 (T) in Bezug auf die Magnetfeld-Koordinate bei höch¬ stens ΔΒ = 100 mT, insbesondere zwischen 10 und 50 mT . Der Abstand in Bezug auf die Temperatur-Koordinate kann vorteil¬ haft bei wenigstens 3 K, insbesondere zwischen 10 K und 40 K liegen . Advantageously, a distance of the operating point P from the curve B C 2 (T) with respect to the magnetic field coordinate at Höch ¬ least ΔΒ = 100 mT, in particular between 10 and 50 mT. The distance with respect to the temperature coordinate can be advantageous ¬ at least 3 K, in particular between 10 K and 40 K.
Beispielsweise kann der schaltbare Leiterabschnitt im Dauer¬ stromschalter des dritten Ausführungsbeispiels auf einem Ma¬ terial des Typs BaKBiO basieren. Dieser schaltbare Leiterab¬ schnitt kann dann vorteilhaft bei einem Betriebspunkt zwi- sehen 10 und 25 K und zwischen 0 und 50 mT betrieben werden. Hierdurch wird ein schnelles Schalten, welches zumindest zum Teil magnetisch ausgelöst wird, erleichtert. Bei Verwendung eines tieftemperatursupraleitenden Materials oder von Magne- siumdiborid für die Spulenwicklung 3 ist so die Betriebstem- peratur des Dauerstromschalters auch relativ nahe bei der Be¬ triebstemperatur der Spulenwicklung, so dass kein übermäßig hoher Temperaturgradient innerhalb des Kryostaten 11 oder über die Leiterschleife des Stromkreises 5 hinweg aufrechter¬ halten werden muss. For example, the switchable conductor section in the permanent ¬ current switch of the third embodiment based on a Ma ¬ material of the type BaKBiO. This switchable Leiterab can ¬ cut advantageous see at an operating point be- 10 and 25 K and between 0 and 50 mT are operated. As a result, a fast switching, which is at least partially triggered magnetically, facilitated. When using a low-temperature superconducting material or magnesium diboride for the coil winding 3 so the operating temperature of the persistent current switch is also relatively close to Be ¬ operating temperature of the coil winding, so that no excessively high temperature gradient within the cryostat 11 or via the conductor loop of the circuit. 5 must keep away upright ¬.
Figur 5 zeigt einen Dauerstromschalter 6 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein supralei¬ tender Leiter 23, der im hier nicht gezeigten weiteren Verlauf mit einer Spulenwicklung 3 zu einem geschlossenen Strom- kreis 5 verbunden ist, ähnlich wie in den Figuren 2 und 3.Figure 5 shows a persistent current switch 6 according to a fourth embodiment of the invention. Shown is a supralei ¬ tender conductor 23 which is connected in the further course not shown here with a coil winding 3 to a closed circuit 5, similar to the figures 2 and 3.
Der supraleitende Leiter 23 weist einen schaltbaren Leiterab¬ schnitt 7 auf, welcher in diesem Beispiel innerhalb einer Ab¬ schirmspule 15 angeordnet ist. Diese Abschirmspule 15 dient dazu, ein vorhandenes äußeres Magnetfeld im Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts 7 abzuschirmen, wobei das Mag¬ netfeld ohne Abschirmung oberhalb des bei der Betriebstempe¬ ratur gegebenen BC2 (T) liegt. Bei diesem vorhandenen äußeren Magnetfeld kann es sich zumindest teilweise um das von der Spulenwicklung 3 erzeugte Feld handeln. Insbesondere kann es sich um das vergleichsweise starke Hintergrundfeld eines Mag¬ netresonanzgeräts handeln. Die um den schaltbaren Leiterab¬ schnitt angeordnete Abschirmspule 15 reduziert dieses äußere Magnetfeld in ihrem Inneren erheblich, so dass der Abschnitt 7 im Normalbetrieb von dem Magnetfeld weitgehend abgeschirmt ist. Damit kann gemäß Figur ein Betriebspunkt P unterhalb der BC2 (T) Kurve eingestellt werden. Die Abschirmwirkung der Spule 15 kann nun ihrerseits durch ein Umschalten der Spulenei- genschaften aufgehoben oder zumindest reduziert werden. Hierzu kann eine Verbindung innerhalb der Abschirmspule 15 geöff¬ net werden. The superconducting conductor 23 has a switchable Leiterab ¬ section 7, which is arranged in this example within a Ab ¬ screen coil 15. This shielding coil 15 serves to shield an existing external magnetic field in the region of the switched conductor section 7, wherein the Mag ¬ netfeld is without shielding above the given at the operating temperature Tempe ¬ B C 2 (T). In this existing external magnetic field, it may be at least partially that of the Coil winding 3 field generated act. In particular, it may be the comparatively strong background field of Mag ¬ netresonanzgeräts. The arranged around the switchable Leiterab ¬ section shielding coil 15 reduces this external magnetic field in its interior considerably, so that the section 7 is largely shielded in normal operation of the magnetic field. Thus, according to the figure, an operating point P can be set below the B C 2 (T) curve. The shielding effect of the coil 15 can in turn be canceled out or at least reduced by switching over the coil properties. For this purpose can be geöff within the shielding 15 ¬ net connect.
Beispielsweise kann die Abschirmspule 15 wie in Figur 5 ange- deutet eine zylindrische Spule sein. Sie kann wiederum auch ein supraleitendes Material aufweisen, insbesondere ein zy¬ lindrisches supraleitendes Element. Zum Öffnen des Schalters wird die Supraleitung zumindest in einem Teilbereich des Zylinders unterbrochen, wodurch die Abschirmwirkung weitgehend aufgehoben wird. Daraufhin wirkt auch im Inneren der Abschirmspule ein lokales Magnetfeld oberhalb von BC2 (T) , und der schaltbare Leiterabschnitt 7 wird in einen normalleiten¬ den Zustand versetzt, der Dauerstromschalter 6 wird also ge¬ öffnet. Als Abschirmspule kann beispielsweise ein Hohlzylin- der aus massivem (Bulk) Supraleitermaterial eingesetzt wer¬ den. Alternativ kann auch ein mit einer zylindrischen supraleitenden Schicht beschichteter Hohlzylinder verwendet werden. Geeignete supraleitende Materialien für die Abschirmspu¬ le 15 sind beispielsweise Magnesiumdiborid oder ein Material des Typs REBCO. Um die Abschirmung zu unterbrechen, kann ein Umfangssegment 15a des Zylinders mit einem Heizelement 17 so weit aufgeheizt werden, dass die Supraleitung in diesem Abschnitt 15a zusammenbricht. Das in Figur 5 gezeigte magnetische Schalten, bei dem eine supraleitende Abschirmspule 15 wiederum thermisch geschaltet wird, kann deutlich schneller realisiert werden, als wenn der schaltbare Leiterabschnitt direkt thermisch geschaltet würde. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass die Abschirmspule als zweiter Schalter für wesentlich geringere Spannungsfestigkeiten und/oder Stromtragfähigkeiten dimensioniert werden muss als der Dauerstromschalte 6 in dem Haupt-Stromkreis 5. Insbesondere kann der Leiterquerschnitt und/oder die Leiter¬ masse geringer sein. So kann die Abschirmspule so ausgelegt werden, dass auch mit rein thermischem Schalten eine schnelle Änderung ihrer supraleitenden Eigenschaften möglich ist. Das zum Schalten der Abschirmspule 15 verwendete Heizelement 15a kann alternativ zu der in Figur 5 gezeigten Anordnung auch so angeordnet sein, dass der innenliegende schaltbare Leiterab¬ schnitt 7 mit geheizt wird. Und/oder es kann innenliegend auch ein zusätzliches Heizelement angeordnet sein, um den Leiterabschnitt 7 separat zu heizen. Auf diese Weise kann ein kombiniertes thermisch-magnetisches Schalten gemäß Pfeil 14c der Figur 4 realisiert werden. For example, as shown in FIG. 5, the shielding coil 15 may be a cylindrical coil. It can in turn also have a superconducting material, in particular a zy ¬ lindrisches superconducting element. To open the switch, the superconductivity is interrupted at least in a portion of the cylinder, whereby the shielding effect is largely eliminated. Then, also acts in the interior of the shielding coil a local magnetic field B above C 2 (T), and the switchable conductor portion 7 is put in a normal direct ¬ the state of the persistent current switch 6 is so ge ¬ opens. For example, a hollow cylinder made of solid (bulk) superconductor material can be used as the shielding coil . Alternatively, a hollow cylinder coated with a cylindrical superconducting layer may be used. Suitable superconducting materials for Abschirmspu ¬ le 15 are for example magnesium diboride or a material of the type REBCO. To interrupt the shield, a peripheral segment 15a of the cylinder can be heated with a heating element 17 so far that the superconductivity breaks down in this section 15a. The magnetic switching shown in Figure 5, in which a superconducting shielding coil 15 is in turn thermally switched, can be realized much faster than if the switchable conductor section would be directly thermally switched. A major reason for this is that the shielding must be dimensioned as a second switch for much lower withstand voltages and / or current carrying capacities than the continuous current Turn 6 in the main circuit 5. In particular, the conductor cross-section and / or circuit ¬ mass can be lower. Thus, the shielding coil can be designed so that even with purely thermal switching a rapid change in their superconducting properties is possible. May alternatively be arranged to that shown in Figure 5 arrangement also so 15a, the heating element used for switching the shielding coil 15, that the inner switchable Leiterab ¬ section 7 is heated with. And / or it can be arranged on the inside, an additional heating element to heat the conductor section 7 separately. In this way, a combined thermal-magnetic switching according to arrow 14c of Figure 4 can be realized.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Dauerstromschalters nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist wiederum ein schaltbarer Leiterabschnitt 7, um den herum eine Abschirmspule 15 angeordnet ist. Im Gegensatz zum Beispiel der Figur 5 handelt es sich hier jedoch nicht um einen flächigen zylindrischen Leiter, sondern um eine Spulenwicklung mit mehreren Windungen w± aus einem supraleitenden Leitermaterial. Die Leiter der äußersten Windungen sind hierbei über einen supraleitenden Kontakt 19 zu einem geschlossenen Abschirm-Stromkreis verbunden. Ein schaltbarer Leiterabschnitt 15a dieses Abschirm-Stromkreises ist dabei wiederum thermisch mit einem Heizelement 17 gekop- pelt, über das dieser Leiterabschnitt 15a in einen normallei¬ tenden Zustand gebracht werden kann. Auch hier existiert also ein sekundärer thermischer Schalter, über den eine supraleitende Abschirmung ausgeschaltet werden kann, so dass ein schaltbarer Leiterabschnitt 7 des Dauerstromschalters 6 indi- rekt magnetisch in einen normalleitenden Zustand geschaltet wird. Auch hier kann das thermische Schalten der Abschirmspu¬ le 15 schneller erfolgen, als dies bei einem rein thermischen Schalten des Leiterabschnitts 7 möglich wäre, da der Leiter der Spule 15 nicht für die hohen Spannungsfestigkeiten und Stromtragfähigkeiten der Stromkreises 5 der Spulenwicklung 3 dimensioniert werden muss. Auch hier kann ein Schalten des schaltbaren Leiterabschnitts zusätzlich durch ein weiteres optionales und daher hier nicht gezeigtes Heizelement im Be¬ reich des Leiterabschnitts 7 unterstützt werden, oder das ge¬ zeigte Heizelement 17 kann alternativ so angeordnet werden, dass dieser Leiterabschnitt 7 mit geheizt wird. Der Leiter der Abschirmspule 15 kann beispielsweise aus ähn¬ lichem supraleitendem Draht gebildet sein wie die Spulenwicklung 3. Insbesondere kann auch hier ein Tieftemperatursupra- leiter oder ein auf Magnesiumdiborid basierender Leiter verwendet werden. Für solche Materialien sind auch Technologien bekannt, um den nötigen supraleitenden Kontakt 19 herzustel¬ len. Vorteilhaft kann die thermische Leitfähigkeit des supra¬ leitenden Materials der Abschirmwicklung 15 höher sein als beim supraleitenden Material des schaltbaren Leiterabschnitts 7, da hier nicht auf einen möglichst hohen elektrischen Wi- derstand im normalleitenden Zustand Rücksicht genommen werden muss. Bei Wahl eines keramischen Materials für den schaltba¬ ren Leiterabschnitt 7 und eines metallischen Leitermaterials für die Abschirmwicklung 15 kann also im sekundären Schaltbereich 15a auch mit thermischem Schalten eine höhere Schaltge- schwindigkeit erreicht werden, als dies mit einem rein ther¬ mischen Schalten des Leiterabschnitts 7 möglich wäre. Durch das magnetische unterstützte Schalten mit einem thermisch ge¬ schalteten sekundären Schalter 15a kann somit die Öffnungsschaltzeit des Dauerstromschalters 6 vorteilhaft verkürzt werden. FIG. 6 shows a schematic representation of another continuous-current circuit breaker according to a fifth exemplary embodiment of the invention. Shown again is a switchable conductor section 7, around which a shielding coil 15 is arranged. In contrast to the example of Figure 5 but is not a flat cylindrical conductor, but a coil winding with multiple windings w ± from a superconducting conductor material. The conductors of the outermost windings are in this case connected via a superconducting contact 19 to a closed shielding circuit. A switchable conductor section 15a of this shielding circuit is in turn thermally gekop- with a heating element 17 pelt over which the conductor portion can be brought into a conducting condition normallei ¬ 15a. Here, too, a secondary thermal switch exists, via which a superconducting shielding can be switched off, so that a switchable conductor section 7 of the persistent current switch 6 is switched indirectly magnetically into a normally conducting state. Again, the thermal switching of Abschirmspu ¬ le 15 can be done faster than would be possible with a purely thermal switching of the conductor portion 7, since the conductor the coil 15 does not have to be dimensioned for the high voltage strengths and current carrying capacities of the circuit 5 of the coil winding 3. Again, a switching of the switchable conductor portion may additionally through another optional and therefore not shown here heating element Be ¬ rich of the conductor portion are supported 7, or ge ¬ showed heating element 17 may alternatively be arranged so that this conductor portion 7 is with heated. The head of the shield coil 15 may for example be formed of similarity ¬ Lichem superconducting wire as the coil 3. In particular, a Tieftemperatursupra- conductor or a magnesium diboride-based conductor can be used here. And technologies are known for such materials to the required superconducting contact 19 herzustel ¬ len. Advantageously, the thermal conductivity of the material of the shielding winding supra ¬ conductive 15 may be higher than in the superconducting material of the switchable conductor section 7, since no resistor to a high electric Wi possible in the normal state must be taken into consideration. When choosing a ceramic material for the schaltba ¬ ren conductor section 7 and a metallic conductor material for the shield 15 can therefore be achieved in the secondary switching area 15a with thermal switching, a higher switching speed than with a purely ther ¬ mixing switching of the conductor section. 7 it is possible. Supported by the magnetic switch with a thermally ge ¬ switched secondary switch 15a thus opening the switching time of the permanent current switch 6 can be advantageously shortened.
Um eine noch kürzere Öffnungszeit des Dauerstromschalters zu erreichen, kann alternativ auch die Spulenwicklung 15 mit einem schnell magnetisch schaltbaren Leitermaterial wie In order to achieve an even shorter opening time of the persistent current switch, alternatively, the coil winding 15 with a fast magnetically switchable conductor material such
BaKBiO ausgebildet werden. Dieses kann beispielsweise mit einer magnetisch daran gekoppelten Magnetspule geschaltet werden. Mit anderen Worten kann so ein schnelles Schalten über eine Kaskade von zwei supraleitenden magnetisch schaltbaren Leiterbereichen ermöglicht werden. BaKBiO be trained. This can be switched, for example, with a magnetically coupled thereto magnetic coil. In other words, such a fast switching via a cascade of two superconducting magnetically switchable conductor regions.
Bei allen Varianten, bei denen zum Schalten eine magnetische Abschirmung aufgehoben wird, ist es vorteilhaft, wenn das ab¬ geschirmte Volumen vergleichsweise klein ist. Insbesondere bei Magnetresonanz-Anwendungen sollte die Abschirmung klein gewählt werden, um Magnetfeldverzerrungen im abgebildeten beziehungsweise vermessenen Volumen zu vermeiden. Auch bei den anderen Varianten des magnetischen, thermischen oder thermisch-magnetischen Schaltens ist es vorteilhaft, ein mög¬ lichst kleines Volumen für den Dauerstromschalter zu wählen, da dann die Schaltzeiten besonders klein gehalten werden können. Vorteilhaft liegt das Volumen des Dauerstromschalters allgemein bei nicht mehr als 100 cm3. In all the variants in which for switching a magnetic shield is removed, it is advantageous if the shielded from ¬ volume is comparatively small. In particular, in magnetic resonance applications, the shielding should be chosen small in order to avoid magnetic field distortions in the imaged or measured volume. Even with the other variants of the magnetic, thermal or thermal-magnetic switching, it is advantageous to choose a pos ¬ lichst small volume for the persistent current switch, since then the switching times can be kept very small. Advantageously, the volume of the continuous current switch is generally not more than 100 cm 3 .
Bei den Ausführungsformen, bei denen zum Schalten eine magnetische Abschirmung aufgehoben wird, ist es vorteilhaft, wenn in Serie zum schaltbaren Leiterabschnitt 7 ein in den Figuren nicht gezeigter zweiter, mit einem Heizelement thermisch schaltbarer Leiterabschnitt vorgesehen ist. Ein solcher serieller zweiter Schalter kann vorteilhaft dazu verwendet werden, die Spulenwicklung 3 mit einem Ladestrom zu beladen. Für diesen Ladevorgang sollte der zweite Schalter geöffnet wer- den, denn bei einem anfänglichen Aufladen des Spulensystems 1 ist das von der Spulenwicklung 3 erzeugte Hintergrundfeld noch nicht groß genug, um ein magnetisches Schalten durch das Aufheben einer Abschirmung zu ermöglichen. Vergleichbares gilt für eine Feldwicklung, die wie unten beschrieben mit einem Hintergrundfeld zusammenwirkt, um die BC2 (T) -Kurve zu überschreiten. In solchen Fällen ist ein zusätzlicher thermischer Schalter sinnvoll, um ein anfängliches Aufladen sowie eventuell auch ein vollständiges Entladen ohne das nominelle Hintergrundfeld zu ermöglichen. Hierbei ist ein vollständiges Entladen jedoch weniger kritisch, da ein im Dauerstromschalter fließender Leckstrom I4 im Allgemeinen während des Entladens zu einer thermischen Belastung des schaltbaren Leiterab- Schnitts 7 und somit zu einem länger andauernden Verlassen des supraleitenden Arbeitsbereichs führt. In the embodiments in which a magnetic shielding is canceled for switching, it is advantageous if in series with the switchable conductor section 7, a second, not shown in the figures, is provided with a heating element thermally switchable conductor section. Such a serial second switch can be advantageously used to load the coil winding 3 with a charging current. For this charging process, the second switch should be opened, because at an initial charging of the coil system 1, the background field generated by the coil winding 3 is not yet large enough to enable a magnetic switching by canceling a shield. The same applies to a field winding which, as described below, interacts with a background field to exceed the B C 2 (T) curve. In such cases, an additional thermal switch is useful to allow for initial charging and possibly complete discharge without the nominal background field. In this case, however, complete discharge is less critical, since a leakage current I 4 flowing in the persistent current switch generally leads to a thermal load of the switchable conductor discharge during discharge. Section 7 and thus leads to a prolonged leaving the superconducting work area.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Dauerstromschalters nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sind vereinfacht zwei verschiedene Varianten des Schaltens in einer Abbildung dargestellt, die entweder getrennt zum Einsatz kommen können oder optional auch miteinander kombiniert werden können. Figure 7 shows a schematic representation of another continuous current switch according to a sixth embodiment of the invention. In this embodiment, simplified two different variants of the switching are shown in a figure, which can either be used separately or optionally can be combined with each other.
Gezeigt ist wiederum ein schaltbarer Leiterabschnitt 7 eines Dauerstromschalters 6, der in diesem Beispiel über zwei sup¬ raleitende Kontakte 19 mit einem supraleitenden Leiter 23 verbunden ist, der zusammen mit einer hier nicht gezeigten Spulenwicklung 3 einen geschlossenen Stromkreis 5 bildet, ähnlich wie in dem Figuren 2 und 3. In diesem Beispiel ist also der schaltbare Leiterbereich 7 aus einem anderen supraleitenden Material gebildet als der restliche supraleitende Leiter 23. Eine solche Wahl eines anderen Materials und die Einführung von zusätzlichen supraleitenden Kontakten 19 kann optional auch in den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 zum Einsatz kommen, also für jede der beschriebenen Schalt- Varianten. Alternativ kann für die jeweiligen Varianten aber prinzipiell auch ein einheitliches supraleitendes Material für schaltbaren Leiterabschnitt 7 und den übrigen Leiter 23 sowie die Spulenwicklung 3 verwendet werden. Shown in turn is a switchable conductor section 7 of a continuous current switch 6, which is connected in this example via two sup ¬ raleitende contacts 19 with a superconducting conductor 23 which forms a closed circuit 5 together with a coil winding 3, not shown here, similar to the figures 2 and 3. In this example, therefore, the switchable conductor portion 7 is formed of a different superconducting material than the remaining superconducting conductor 23. Such a choice of another material and the introduction of additional superconducting contacts 19 may optionally also in the embodiments of Figures 5 and 6 are used, so for each of the described switching variants. Alternatively, however, in principle a uniform superconducting material for switchable conductor section 7 and the remaining conductor 23 as well as the coil winding 3 can also be used for the respective variants.
Im Beispiel der Figur 7 ist eine Magnetfeldwicklung 21 um den schaltbaren Leiterabschnitt 7 oder zumindest einen Teil davon angeordnet. Diese Magnetfeldwicklung 21 ist vorteilhat klein im Vergleich zur Spulenwicklung 3, sie soll jedoch ausreichen, um im Bereich des Leiterabschnitts 7 ein lokales Mag¬ netfeld Bext oberhalb des jeweiligen BC2 (T) zu erreichen. Sie hat vorteilhaft eine vergleichsweise geringe Induktivität, damit das Magnetfeld schnell eingeschaltet werden kann, um ein schnelles Öffnen des Dauerstromschalters 6 zu ermögli¬ chen. Die Magnetfeldwicklung 21 kann ein supraleitendes Lei- termaterial aufweisen, sie kann jedoch prinzipiell auch normalleitend sein. In the example of FIG. 7, a magnetic field winding 21 is arranged around the switchable conductor section 7 or at least a part thereof. This magnetic field winding 21 is vorteilhat small compared to the coil winding 3, but they should be sufficient in the area of the conductor portion 7 a local Mag ¬ netfeld B ex t to reach above the respective B C 2 (T). It advantageously has a comparatively low inductance, so that the magnetic field can be switched on quickly to ermögli ¬ chen a rapid opening of the persistent current switch 6. The magnetic field winding 21 can be a superconducting conductor. However, they can in principle also be normally conductive.
Vorteilhaft ist der Dauerstromschalter 6 bei dieser Schaltme- thode in einem Bereich innerhalb des Kryostaten 11 angeord¬ net, in dem das Magnetfeld der Spulenwicklung 3 vergleichs¬ weise gering ist. Dies ist insbesondere für Magnetresonanz¬ systeme mit hohen Hintergrundmagnetfeldern wichtig, damit BC2 (T) nicht schon durch das Hintergrundfeld überschritten wird, sondern erst bei Einschalten der Magnetfeldwicklung 21. Das Magnetfeld dieser Magnetfeldwicklung 21 kann dann vorteilhaft mit dem Hintergrundmagnetfeld zusammenwirken, um BC2 (T) zu überschreiten, so dass das durch die zusätzliche Wicklung 21erzeugte Magnetfeld nicht sehr groß sein muss. The persistent current switch 6 is advantageous in this Schaltme- Thode in a region within the cryostat 11 angeord ¬ net, in which the magnetic field of the coil winding 3 ¬ comparison example is low. This is particularly important for magnetic ¬ systems with high background magnetic fields, so B 2 (T) is not already exceeded the background field C, but 21 only when switching on the magnetic field coil, the magnetic field of the magnetic coil 21 can then interact favorably with the background magnetic field B C 2 (T), so that the magnetic field generated by the additional winding 21 need not be very large.
Besonders vorteilhaft kann bei der Ausführungsform der Figur 7 für den schaltbaren Leitungsabschnitt 7 ein Material mit anisotropem, also richtungsabhängigen BC2 (T) verwendet werden. Beispielsweise kann ein kristallines Material mit einem hohen BC2 (T) in kristallographischer ab-Richtung und einem niedrigen BC2 (T) in kristallographischer c-Richtung eingesetzt werden. Der Dauerstromschalter kann dann so ausgerichtet werden, dass das Hintergrundfeld in ab-Richtung des Mate¬ rials ausgerichtet ist und somit der supraleitende Bereich der Kurve gemäß Figur 4 nicht verlassen wird. Erst durch Einschalten der Magnetfeldwicklung 21 wird in c-Richtung ein ausreichend hohes Magnetfeld Bext erzeugt, um den supraleiten¬ den Bereich unterhalb der BC2 (T) -Kurve zu verlassen. Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des sechsten Ausführungsbeispiels kann die für das magnetische Schalten benö¬ tigte Magnetfeldstärke reduziert werden, indem für den schaltbaren Leiterbereich 7 eine Leitergeometrie gewählt wird, die die Ausbildung lokaler Feldüberhöhungen fördert. Beispielsweise kann ein flacher, bandförmiger Leiter verwendet werden und das Magnetfeld der Feldwicklung 21 kann im Wesentlichen senkrecht auf einen solchen Bandleiter auftreffen. Dann bewirken Abschirmströme im Leiter eine Feldüberhöhung im Bereich der Kanten. Sobald diese durch Überschreiten der BC2 (T) -Kurve normalleitend werden, dringt die Feldüberhöhung weiter ins Innere vor, bis der ganze schaltbare Leiterab¬ schnitt 7 normalleitend wird. So kann mit einem relativ ge- ringen zusätzlichen Magnetfeld der Feldwicklung 21 der Leiterabschnitt 7 effektiv und schnell geschaltet werden. Particularly advantageous in the embodiment of Figure 7 for the switchable line section 7, a material with anisotropic, ie direction-dependent B C 2 (T) can be used. For example, a crystalline material having a high B C 2 (T) in crystallographic ab direction and a low B C 2 (T) in crystallographic c direction can be used. The persistent current switch can then be aligned so that the background field is aligned in the down direction of the mate rials ¬ and thus the superconducting portion of the curve according to Figure 4 is not left. Only by switching on the magnetic field winding 21 in the c-direction, a sufficiently high magnetic field B ex t is generated to leave the supraleiten ¬ the area below the B C 2 (T) curve. In a further advantageous variant of the sixth embodiment, the Benö for the magnetic switching ¬ preferential magnetic field strength can be reduced by forming a conductor geometry is chosen for the switchable semiconductor region 7, which promotes the formation of local field enhancements. For example, a flat, band-shaped conductor can be used and the magnetic field of the field winding 21 can impinge substantially perpendicular to such a strip conductor. Shielding currents in the conductor cause a field increase in the conductor Range of edges. Once these are 2 by exceeding the C B (T) curve of normal-conductive, the field enhancement penetrates further into the interior before until all switchable Leiterab ¬ section 7 becomes normally conductive. Thus, with a relatively small additional magnetic field of the field winding 21, the conductor portion 7 can be effectively and rapidly switched.
Die beschriebenen Ausführungsformen mit einem magnetischen Schalten gemäß Pfeil 14b der Figur 4 stellen in sich voll- ständige Lösungen dar, für die das in Figur 7 gezeigte optio¬ nale Heizelement 17 nicht benötigt wird. Ein solches Heizele¬ ment 17 kann jedoch zusätzlich vorhanden sein, um den Schaltvorgang zu unterstützen und/oder zu beschleunigen in der Art eines thermisch-magnetischen Schaltens gemäß Pfeil 14c der Figur 4. In Figur 7 ist das Heizelement der Übersichtlichkeit halber gegenüber der Feldwicklung 21 axial versetzt angezeigt. Es kann jedoch vorteilhaft auch auf dem gleichen Teil¬ abschnitt des Leiters 7 innerhalb der Feldwicklung und/oder diese umgebend angeordnet sein, so dass sich die thermischen und magnetischen Wirkungen auf die supraleitenden Eigenschaften des Leitermaterials auf einem sehr kurzen Abschnitt ge¬ genseitig verstärken. The embodiments described with a magnetic switch according to arrow 14b of Figure 4 represent in itself is completely permanent solutions for which the optio ¬ dimensional heating element 17 shown in Figure 7 is not required. However, such a Heizele ¬ element 17 may additionally be provided to assist the shifting operation and / or to accelerate in the manner of a thermo-magnetic switching according to arrow 14c of Figure 4. In Figure 7 the heating element sake of clarity with respect to the field winding 21 axially offset. However, it may advantageously be arranged to surround also on the same part ¬ portion of the conductor 7 in the field winding and / or these, so that enhance the thermal and magnetic effects on the superconductive properties of the conductor material on a very short section ge ¬ genseitig.
Alternativ zu der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform kann die Feldwicklung 21 auch entfallen, und der schaltbare Leiterabschnitt 7 kann prinzipiell auch nur durch das Heiz¬ element 17 gemäß Variante 14a der Figur 4 zwischen seinem supraleitenden Zustand und seinem normalleitenden Zustand umgeschaltet werden. Im Vergleich zum rein thermischen Schalten von metallischen Supraleitern kann das thermische Schalten von keramischen supraleitenden Leiterabschnitten 7 schneller stattfinden, da für die zweckmäßig zu erreichenden Widerstände eine geringere Masse an keramischem Leitermaterial benö¬ tigt wird. Alternatively to the embodiment shown in Figure 7, the field winding 21 may be omitted, and the switchable conductor portion 7 can in principle only by the heating ¬ element 17 according to variant 14a of Figure 4 can be switched between its superconductive state and its normally conducting state. In comparison with the purely thermal switching of metallic superconductors, the thermal switching of ceramic superconductive conductor portions 7 can take place quickly, since a smaller mass of ceramic conductor material is Benö ¬ Untitled for the expedient to be achieved resistors.

Claims

Patentansprüche claims
1. Spuleneinrichtung (1) mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung (3) mit supraleitendem Leitermaterial, 1. coil device (1) with at least one electrical coil winding (3) with superconducting conductor material,
- wobei die Spulenwicklung (3) Teil eines in sich geschlosse¬ nen Stromkreises (5) zur Ausbildung eines Dauerstroms ( I i ) ist, - wherein the coil winding (3) is part of a self-contained ¬ nen circuit (5) for forming a continuous current (I i),
- wobei der geschlossene Stromkreis (5) einen Dauerstrom¬ schalter (6) mit einem schaltbaren Leiterabschnitt (7) auf- weist, der zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist, - Wherein the closed circuit (5) has a persistent current ¬ switch (6) with a switchable conductor section (7) up, which is switchable between a superconducting state and a normal conducting state,
- wobei der schaltbare Leiterabschnitt (7) einen hochtempera- tursupraleitenden Leiter aufweist,  - wherein the switchable conductor section (7) has a high-temperature superconducting conductor,
- wobei der schaltbare Leiterabschnitt (7) im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigsten 300 Ohm aufweist  - Wherein the switchable conductor section (7) has a resistance of at least 300 ohms in the normal conducting state of the conductor
- und wobei dem schaltbaren Leiterabschnitt (7) ein Abklingwiderstand (9a) von wenigstens 50 Ohm und/oder ein Verbrau¬ cher (9b) mit einem effektiven Widerstand von wenigstens 50 Ohm parallelgeschaltet ist. - And wherein the switchable conductor section (7) a Abklingwiderstand (9a) of at least 50 ohms and / or a consumer ¬ cher (9b) is connected in parallel with an effective resistance of at least 50 ohms.
2. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 1, welche einen Kryos- taten (11) zur Kühlung des supraleitenden Leitermaterials um- fasst , 2. Coil device (1) according to claim 1, which comprises a cryostat (11) for cooling the superconducting conductor material,
- wobei die supraleitende Spulenwicklung (3) und der schalt¬ baren Leiterabschnitt (7) innerhalb des Kryostaten angeord¬ net sind - Wherein the superconducting coil winding (3) and the switching ¬ ble conductor section (7) are angeord ¬ net within the cryostat
- und wobei der Abklingwiderstand (9a) und/oder der Verbrau¬ cher (9b) außerhalb des Kryostaten angeordnet ist. - And wherein the Abklingwiderstand (9a) and / or the consumer ¬ cher (9b) is arranged outside of the cryostat.
3. Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der schaltbare Leiterabschnitt (7) im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand aufweist, der größer ist als der Abklingwiderstand (9a) und/oder der effektive Wider- stand des Verbrauchers (9b) . 3. coil device (1) according to any one of claims 1 or 2, wherein the switchable conductor portion (7) in the normal conducting state of the conductor has a resistance which is greater than the Abklingwiderstand (9a) and / or the effective resistance of the consumer (9b).
4. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der schaltbare Leiterabschnitt (7) im nor- malleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigs¬ ten 1000 Ohm, insbesondere wenigstens 5000 Ohm aufweist. 4. coil device (1) according to any one of the preceding claims, wherein the switchable conductor section (7) in nor- malleitenden state of the conductor has a resistance of wenigs ¬ th 1000 ohms, in particular at least 5000 ohms.
5. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, bei der der schaltbare Leiterabschnitt (7) im nor¬ malleitenden Zustand des Leiters eine Durchschlagfestigkeit für Spannungen von wenigstens 20 kV aufweist. 5. coil means (1) according to one of the preceding arrival sayings, wherein the switchable conductor section (7) nor ¬ malleitenden state of the conductor has a dielectric strength of tension of at least 20 kV.
6. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei der der schaltbare Leiterabschnitt (7) einen ke¬ ramischen Hochtemperatursupraleiter aufweist. 6. coil device (1) according to one of the preceding claims, in which the switchable conductor section (7) has a Ke ¬ ramischen high-temperature superconductor.
7. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 6, bei der der schaltbare Leiterabschnitt (7) ein Material des Typs BaKBiO auf- weist. 7. coil device (1) according to claim 6, wherein the switchable conductor section (7) comprises a material of the type BaKBiO up.
8. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die obere kritische Magnetfeldstärke ( BC2) für das supraleitende Material des schaltbaren Leiterab- Schnitts (7) bei höchstens 100 mT liegt. 8. coil device (1) according to any one of the preceding claims, wherein the upper critical magnetic field strength (B C 2) for the superconducting material of the switchable Leiterab- section (7) is at most 100 mT.
9. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Betriebstemperatur für den supraleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts (7) zwischen 10 K und 40 K liegt. 9. coil device (1) according to one of the preceding claims, wherein an operating temperature for the superconducting state of the switchable conductor portion (7) is between 10 K and 40 K.
10. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schaltzeit für das Umschalten des schaltbaren Leiterabschnitts (7) vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand bei höchstens 0,5 Sekunden liegt. 10. coil device (1) according to any one of the preceding claims, wherein the switching time for the switching of the switchable conductor portion (7) from the superconducting to the normal conducting state is at most 0.5 seconds.
11. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine weitere Magnetspule (15) zur Erzeugung eines Magnetfelds ( Bext ) zum Schalten des schaltbaren Leiter- abschnitts (7) aufweist. 11. coil device (1) according to one of the preceding claims, which has a further magnetic coil (15) for generating a magnetic field (B ex t) for switching the switchable conductor section (7).
12. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden sprüche, welche eine um den schaltbaren Leiterabschnitt angeordnete Abschirmspule (15) mit einem kurzgeschlossenen Strompfad (16) aufweist, 12. coil device (1) according to one of the preceding claims, which is a switchable to the conductor section arranged shielding coil (15) with a short-circuited current path (16),
wobei der kurzgeschlossene Strompfad (16) durch einen schalt¬ baren Leiterabschnitt (15a) der Abschirmspule (15) geöffnet werden kann. wherein the short-circuited current path (16) through a switching ¬ cash conductor portion (15a) of the shielding (15) can be opened.
13. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche 13. coil device (1) according to one of the preceding claims, which
- als Magnetspuleneinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfel- des in einem Gerät zur Magnetresonanzbildgebung oder Magnetresonanzspektroskopie ausgebildet ist oder  - Is designed as a magnetic coil device for generating a magnetic field in a device for magnetic resonance imaging or magnetic resonance spectroscopy or
- als Erregerspuleneinrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Erregerfeldes in einer rotierenden elektrischen Maschine ausgebildet ist oder  - Is formed as an excitation coil means for generating an electromagnetic excitation field in a rotating electric machine, or
- als Magnetspuleneinrichtung zur Speicherung von Energie in einem supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) ausgebildet ist. - Is designed as a magnetic coil device for storing energy in a superconducting magnetic energy storage (SMES).
14. Dauerstromschalter (6) für eine Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem schaltbaren Leiterabschnitt (7), 14. persistent current switch (6) for a coil device (1) according to one of the preceding claims with a switchable conductor section (7),
- wobei der schaltbare Leiterabschnitt (7) einen hochtempera- tursupraleitenden Leiter aufweist  - Wherein the switchable conductor section (7) has a high-temperature superconducting conductor
- und wobei der schaltbare Leiterabschnitt (7) im normallei- tenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigsten - And wherein the switchable conductor section (7) in the normallei- state of the conductor resistance of at least
300 Ohm aufweist. 300 ohms.
15. Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms ( I i ) in einer Spulenwicklung (3) einer Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der schaltbare Leiter¬ abschnitt (7) des Dauerstromschalters (6) von einem supralei¬ tenden Zustand in einen normalleitenden Zustand umgeschaltet wird . 15. A method for loading or unloading a continuous current (I i) in a coil winding (3) of a coil device (1) according to one of claims 1 to 13, wherein the switchable conductor ¬ section (7) of the continuous current switch (6) of a Supralei ¬ border state is switched to a normal conducting state.
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