DE1589992B2

DE1589992B2 - Magnetspule aus supraleitendem Material

Info

Publication number: DE1589992B2
Application number: DE1589992A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tokio Kimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1966-01-17
Filing date: 1967-01-11
Publication date: 1973-11-08
Also published as: DE1589992A1; FR1508521A; US3502946A; GB1138271A

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetspule aus supraleitendem Material, die aus mehreren konzentrisch angeordneten, mit Stromzuführungsleitungen versehenen, mehrlagigen Teilspulen aufgebaut ist, mit einer Teilspule als Innenspule, deren Leiterwerkstoff einen relativ hohen kritischen Induktionswert besitzt, und einer weiteren Teilspule als Außenspule, deren kritischer Induktionswert relativ niedrig liegt.

Bei den bekannten Magnetspulen dieser Art wird so verfahren, daß jeder Teilspule ihr Erregerstrom über nur ihr zugehörige, gesonderte Zuleitungen zugeführt wird. Dabei entstehen Stromwärmeverluste in jeder Zuleitung entsprechend ihrem ohmschen Widerstand. Diese Stromwärmeverluste sind bei den sehr tiefen Temperaturen im Supraleitungsbereich der Teilspulen besonders schwer abzuführen, weshalb es Aufgabe der Erfindung ist, die Stromwärmeverluste in den Zuleitungen zu den Teilspulen möglichst klein zu halten, wobei es jedoch nicht genügt, den Leiterquerschnitt der Zuleitungen zu erhöhen, da dadurch in erhöhtem Maß Wärme von außen in den extrem kalten Bereich der supraleitenden Spulen hineingeleitet wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Erfindung dadurch, daß die Teilspulen, die von gesonderten Gleichstromenergiequellen gespeist werden, in, Reihe geschaltet sind und ein Abschnitt jeder Stromzüführungsleitung, mit Ausnahme je einer Stromzuführungsleitung der Innen- und der Außenspule, zu jeder Teilspule zwei Teilspulen gemeinsam ist.

Zwar sind jeweils zwei Teilspulen gemeinsame Zuleitungen bei Magnetspulen aus supraleitendem Material bekannt, jedoch dienen diese Zuleitungen nicht der Zuführung des Erregerstroms, sondern haben lediglich die Aufgabe, die einzelnen Teilspulen mit Schutzwiderständen zu verbinden, während die Teilspulen bei dieser bekannten Anordnung sämtlich in Reihe liegen und von demselben Erregerstrom durchflossen werden, was für Werte besonders hoher Induktion im Bereich der innenliegenden Teilspulen nicht brauchbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Zuleitungsanordnung können die Stromwärmeverluste in den Zuleitungen zu den Teilspulen besonders bei einer größeren Teilspulenzahl beträchtlich gesenkt werden, was eine erhebliche Kosteneinsparung und Einsparung an Aufwand für die Abfuhr von Verlustenergie aus dem Tiefkühlbereich bedeutet.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. l(a) in Schemadarstellung einen Längsschnitt durch eine bekannte Magnetspule aus supraleitendem Leitermaterial,

ίο Fig. l(b) die graphische Darstellung der Feldstärkeverteilung über den Durchmesser der Magnetspule, : F i g. 2 ein Schaltbild einer bekannten Anordnung eines Elektromagneten mit supraleitender Spule,

F i g. 3 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der kritischen Stromdichte von der magnetischen Induktion zeigt, wobei der Parameter der einzelnen Kurven die jeweilige Legierungszusammensetzung ist, F i g. 4 und 5 Schaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele bekannter Elektromagnete mit supraleitenden Spulen,

F i g. 6 das Schaltbild eines Elektromagneten mit. supraleitender Spule gemäß der Erfindung und
F i g. 7 das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Bei einem typischen Beispiel eines bekannten Elektromagneten mit supraleitender Magnetspule, das in der F i g. 1 (a) dargestellt ist, ist die zylindrische Spulengruppe 3 in zwei zueinander konzentrische, mehrlagige Teilspulen IA und IB unterteilt, die auf einen Spulenkörper 1 aus magnetisch nichtleitendem Material aufgewickelt sind.

Ein Grund, weswegen die Spulengruppe 3 in dieser Weise aufgeteilt ist, ist folgender. Um ein Magnetfeld hoher Induktion erzeugen zu können, ist eine große Menge supraleitenden Leitermaterials unbedingt nötig, und wenn Teilspulen 2 A und 2 B, die aus diesem Material hergestellt sind, in Reihe geschaltet werden, wie dies in der F i g. 2 gezeigt ist, so daß sie eine einzige Spule 3 darstellen/ wird der Wert der magnetischen Induktion außerordentlich hoch. Bricht nun die Supraleitfähigkeit in der Spule 3 zusammen, so wird zwischen ihren Anschlußenden eine sehr hohe Spannung induziert, so daß die Möglichkeit besteht, daß die Isolation der. Spule 3 beschädigt wird.

Es ist außerdem bekannt, parallel zur Spule 3 einen Schutzwiderstand 4 zu legen, der sich gewöhnlich außerhalb des Tieftemperaturbehälters 5 mit beispielsweise flüssigem..Helium befindet, wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist, durch den dann der Strom abgeleitet wird, um die Zerstörung der Magnetspule durch Überhitzung, wenn sie ihre Supraleitfähigkeit verloren hat, zu-verhindern. -Wird nun der Widerstandswert des Widerstandes 4 niedrig gehalten, um zu verhindern;-daß eine zu hohe Spannung entsteht, ist die Zeitkonstante der Spule 3 von der Stromquelle 6 her betrachtet sehr groß, so daß eine beträchtliche Zeitspanne erforderlich ist, um "die Spule 3 in Betrieb zu setzen. Zugleich ist die Schutzwirkung in bezug auf die Vernichtung der magnetischen Energie im Augenblick des Zusammenbruchs der Supraleitfähigkeit verringert. Ein weiterer Nachteil der in der F i g. 2 dargestellten Schaltungsanordnung ist derjenige, daß die Erregerströme in den Teilspulen 2 A und 2 B gleich sind, so daß, aus Gründen, die nachstehend angeführt werden, auch dann, wenn es wünschenswert wäre, die Erregerströme in den Teilspulen 2A und 2B voneinander abweichen zu lassen, der Wert des

Erregerstroms durch den kleineren kritischen Stromwert in den Teilspulen IA und 25 begrenzt wird und nicht weiter gesteigert werden kann.

Die Widerstände IA und 75 im Schaltbild der F i g. 2 stellen die Widerstände der Zuleitungsdrähte dar, die sich im Tiefkühlbereich befinden (die supraleitende Spule erhält ihre Supraleitfähigkeit nur dann, wenn sie unter ihre kritische Temperatur abgekühlt wird, was gewöhnlich mit Hilfe von flüssigem Helium bei einer Temperatur von 4,2⁰K geschieht). Der Schaltkreis weist weiterhin einen Stellwiderstand 8 auf (in welchen die Widerstände der Zuleitungsdrähte bei Raumtemperatur eingeschlossen sind), mittek dessen der Spulenstrom gesteuert wird, und außerdem sind Schalter 9A und 9B vorhanden.

In bekannter Weise bestehen die Spulen 2A und IB aus verschiedenem Leitermaterial, was für Spulen aus Niob-Zirkon-Draht als supraleitendem Material, das sehr verbreitet Verwendung findet, im folgenden dargelegt wird.

Aus der F i g. 3, die die Abhängigkeit der kritischen Stromdichte von der magnetischen Induktion bei Nb-Zr-Drähten von 0,25 mm Durchmesser zeigt, geht hervor, daß mit zunehmendem Zirkongehalt des Leitermaterials die kritische Stromdichte abnimmt, der kritische Wert der magnetischen Induktion jedoch zunimmt. Die Kurven stellen die höchstzulässige Stromdichte bei bestimmter magnetischer Induktion dar, bei welcher noch Supraleitfähigkeit vorhanden ist.

Die Fi g. l(b) zeigt graphisch die Verteilung der magnetischen Feldstärke H entlang einer Durchmesserebene durch die in der F i g. 1 (a) gezeigte Spule. Aus dieser Verteilungskurve geht hervor, daß der innerste Bereich der inneren Spule 2A der größten magnetischen Feldstärke ausgesetzt ist. Um beispielsweise im Innern der Spule mittels einer Stromstärke von 4 · 10⁸ A/m² oder mehr eine Induktion von 60 kG zu erzeugen, ist ein Nb-Zr-Draht mit einem Zirkon-Gehalt von 33 bis 50% für die Spule 2A geeignet. Die Induktion, der die Spule 2B ausgesetzt ist, liegt in der Größenordnung von 20 kG, so daß ein Niob-Zirkon-Draht mit 15 bis 25% Zirkon für den Teil der Spule 3 vorteilhaft ist, um eine möglichst hohe Stromdichte zulassen zu können.

Um die im Schaltkreis gemäß der F i g. 2 auftretenden Schwierigkeiten zu überwinden, wurde eine Schaltungsanordnung gewählt, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist. Tn diesem Schaltkreis ist die Spule in zwei Spulen 12,4 und 125 aufgelöst, die jeweils mit Schutzwiderständen 14,4 und 145 parallel geschallet sind und an getrennten Energiequellen IdA und 165 über Sleuerwiderstände ISA und 18B und Schalter 19A, 19Aa, 19B und 19Ba einschaltbar sind. Die Erregerströme IA und IB können unabhängig voneinander in den Spulen \2A und 125 eingestellt werden. Die Umrahmung 15 deutet an, welcher Teil der Schaltung mit flüssigem Helium tiefgekühlt ist, und die Widerstände Π A, XlAa, YIB und 175a stellen dabei die Widerstände der Strom-Zuführungsleitungen innerhalb des Tiefkühlbereiches dar.

In einem weiteren, in der F i g. 5 dargestellten, bekannten Ausführungsbeispiel sind die Spulen 22,4 und 225 mit einer einzigen Energiequelle 26 über Steuerwiderstände 28,4 und 285 und gemeinsame Schalter 29,4 und 295 angeschlossen. Die Widerstände 21 A, 21Aa, 21B und 275a stellen wiederum die Widerstände der Zuführungsleitungen im Tiefkühlbereich 25 dar. Parallel zu den Teilspulen liegen die Schutzwiderstände 24,4 und 245.

Der Widerstand einer supraleitenden Spule ist Null, wenn sie unter ihre kritische Temperatur abgekühlt wird; dann stellen die Stromwärmeverluste des Erregerstroms in den Zuführungsleitungen, die sich im

as Tiefkühlbereich befinden, die bedeutendste Verlustquelle dar.

Bei dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Magnetspule nach der Erfindung sind die Verluste in den Zuführungsleitungen verringert. Nach F i g. 6 besteht die Magnetspule aus zwei konzentrischen, mehrlagig gewickelten Spulen 32,4 und 325, die in Reihe geschaltet und mit denen jeweils voneinander unabhängige Gleichstromquellen 36,4 und 365 verbunden sind. Eine Zuführungsleitung ist den beiden Spulen 32,4 und 325 gemeinsam. Außerdem sind Schutzwiderstände 34,4 und 345, Widerstände zur Stromsteuerung 38 A und 385, Schalter 39,4, 39 und 395 und ein Tiefkühlbereich 35 mittels flüssigen Heliums vorhanden, in welchem die Widerstände der Zuleitungen mit 37,4, 37 und 375 bezeichnet sind.

In einem tatsächlich ausgeführten Beispiel eines

Elektromagneten mit supraleitfähiger Spule, der nach dem obigen Schaltbild aufgebaut ist und in welchem die Spule 32,4 die innere und die Spule 325 die äußere Teilspule ist, sind die folgenden, in der Tabelle I wiedergegebenen Werte eingehalten, wobei der Erregerstrom IA — 16A und der Erregerstrom- IB = 2OA in den Spulen 32,4 und 325 beträgt. Es ergab sich dabei, daß die magnetische Induktion im Zentrum der Spulen 18,4 + 38,2 = 56,6 kG betrug.

Tabelle I

Spule	Leitermaterial	Draht durchmesser (mm)	Drahtlänge (km)	Windungszahl	Spulenstrom (A)	Magnetische Induktion (kG)
Innere Spule 32,4 Äußere Spule 325	Nb-33%Zr Nb-25%Zr	0,25 0,25	1,54 5,13	11390 21440	16 20	18,4 38,2

Weitere Einzelheiten:

1. Die Zuführungsleitungen zu den Spulen innerhalb des Tiefkühlbereichs 35 bestehen aus Phosphor-Bronze-Stäben von 3 mm Durchmesser und einem Widerstand von etwa 0,01 Ohm.

2. Die Widerstandswerte der parallelgeschalteten Schutzwiderstände 34 A und 345 betragen etwa 100 Ohm, und im stationären Zustand des Erregerstroms fließt durch diese Widerstände 34,4 und 345 ein Strom, der im Vergleich zu den Strömen IA und IB in den Spulen 32,4 und 325 vernachlässigbar klein ist.

Ein Vergleich der Gesamtwärmeverluste in den Widerständen der Zuführungsleitungen innerhalb des Tiefkühlbereiches bei der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß der F i g. 6 mit den in bekannten Magnetspulen nach den F i g. 4 und 5 auftretenden Verlusten ist in der Tabelle II durchgeführt. Die Bezeichnungen /, IA und IB entsprechen denjenigen in den F i g. 4, 5 und 6.

Tabelle II

Schaltung	IA	Ströme (A)	/	Steuerwiderstände	(38 Λ) 0,3675	(385) 0,288	Gesamte Stromwärme verluste	Spannung der Strom quelle	Strom der Stromquelle
	16	IB	4	(Ω)	(18Λ) 0,355	(185) 0,28	(W)	(V)	(A)
Fig. 6	16	20	—	(28Λ) 0,355	(285) 0,28	6,72	(36 A) 6 (365) 6	16 ^: 20
Fig. 4	¹ 16	20		13,12	(16 A) 6 (165) 6	16 20
F i g. 5	20	13,12	(26) 6	36

Während in dem in F i g. 6 dargestellten Beispiel Durchmesser und Länge und damit auch der Widerstand der als Zuleitung verwendeten drei Stäbe gleich sind, kann der Durchmesser der einzelnen Drähte auch so weit verringert werden, daß die Stromwärmeverluste der drei Zuleitungsdrähte im .wesentlichen gleich sind (z. B. kann der.Durchmesser des mittleren Zuleitungsdrahtes, in welchem der Strom / fließt, auf 0,75 mm verringert werden). Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch dünnere Drähte die Wärmeleitung in den Tiefkühlbereich 35 hinein vermindert wird, bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Stromwärme-Verluste ansteigen. Folglich ist der Drahtdurchmesser der Zuleitungsdrähte ein geeigneter Mittelwert zwischen den Werten, die sich durch die Stromwärmeverluste bestimmen, und den Werten, die durch die Wärmeleitfähigkeit bedingt sind. _: ^o

Während die Erfindung bisher an Hand einer Anordnung mit zwei mehrlagigen Spulen beschrieben wurde, kann sie auch bei Anordnungen mit drei und mehr mehrlagigen Teilspulen mit gleichem Erfolg angewendet werden, wie dies in einem in der F i g. 7 dargestellten Beispiel gezeigt wird.

Die-Magnetspule aus supraleitendem Leitermaterial besteht aus mehrlagigen Spulen 42^4, 425 bis 42«, die sämtlich in Reihe geschaltet sind und zu jeder von denen ein Schutzwiderstand 44A, 445 bis 44« parallel liegt; für jede Teilspule sind Steuerwiderstände 48^4, 485 bis 48« für den Erregerstrom, Gleichspannungsquellen 46A, 465 bis 46« zur Zuführung des Erregerstroms zu den Spulen 42 A, 425 bis 42« und Schalter 49 Λ, 495 bis 49 (« + 1) vorhanden. Die Widerstände ,der Zuführungsleitungen zu den Spulen innerhalb des Tiefkühlbereichs 45 sind mit 47 A, 47 5 bis 47 (« +1) bezeichnet.

Wie oben beschrieben, ermöglicht es die erfindungsgemäße Magnetspule nicht nur, den Erregerstrom in den einzelnen mehrlagigen Spulen auf gewünschte Werte einzustellen, sondern auch die Stromwärmeverluste im Tiefkühlbereich in bezug auf diejenigen bei Elektromagneten bekannter Ausführung wesentlich zu senken, wie dies die Tabelle II darlegt.

Da der Wirkungsgrad von Heliumverflüssigungsapparaten derzeit einen Wert von l%o ^nat> bedeutet ein Wärmeanfall von 1 W bei der Temperatur von flüssigem Helium etwa soviel wie ein Stromwärmeanfall von 1 kW bei Zimmertemperatur. Daraus ist zu ersehen, daß der Erfolg der Erfindung bei der Verminderung der Stromwärmeverluste sehr wertvoll ist.

Wie auch in der Tabelle II zu sehen ist, ist die erforderliche Leistung der Stromquelle zur Speisung der supraleitfähigen Spulen bei der Ausführung gemäß der Erfindung wesentlich niedriger als z. B. diejenige bei einer Anordnung gemäß F i g. 5. Dies ist ein weiterer Vorteil der Erfindung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Magnetspule aus supraleitendem Material, die aus mehreren konzentrisch angeordneten, mit Stromzuführungsleitungen versehenen, mehrlagigen Teilspulen aufgebaut ist, mit einer Teilspule als Innenspule, deren Leiterwerkstoff einen relativ hohen kritischen Induktionswert besitzt, und einer weiteren Teilspule als Außenspule, deren kritischer Induktionswert relativ niedrig liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspulen (32 A, 325; 42A bis 42«), die von gesonderten Gleichstromenergiequellen (36A, 36B; 46A bis 46h) gespeist werden, in Reihe geschaltet sind und ein Abschnitt jeder Stromzuführungsleitung (37; 475 bis 47«) — mit Ausnahme je einer Stomzuführungsleitung der Innen- und der Außenspule.— zu jeder Teilspule (32 A, 32B; 42 A bis 42«) zwei Teilspulen gemeinsam ist.