DE3131480A1 - SUPERCONDUCTIVE COIL - Google Patents
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Description
BRO WN,'BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT Mannheim 21. Juli 1981BRO WN, 'BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT Mannheim July 21, 1981
Mp,-Nr. 605/81 ZPT/P2-La/BrMp, no. 605/81 ZPT / P2-La / Br
Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spule zur Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Feldstärkegradienten in einemThe invention relates to a superconducting coil for generating high magnetic fields with high field strength gradients in one
Nutzraum.
5Usable space.
5
Es ist bekannt zur Erzeugung hoher Gradienten der Magnetfeldstärke zur Fokusierung geladener Teilchen in Beschleunigern Quadrupolmagnete zu verwenden. Es wurde eine supraleitende Ausführungsform einer solchen Anordnung mit einem Quadrupolmagneten beschrieben (F. Arendt, Bau und Betrieb zweier supraleitender Quadrupolmagnete für ein Hyperonenexperiment im CERN, Kernforschungszentrum Karlsruhe KfK-2632 (1979)·). Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der magnetische Rückfluß durch ein Eisenjoch geführt.It is known to generate high gradients in magnetic field strength to use quadrupole magnets to focus charged particles in accelerators. It became a superconducting one Embodiment of such an arrangement with a quadrupole magnet described (F. Arendt, construction and operation of two superconducting quadrupole magnets for a hyperon experiment at CERN, Nuclear Research Center Karlsruhe KfK-2632 (1979) ·). In the described embodiment, the magnetic Reflux passed through an iron yoke.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für hohe Magnetfelder mit hohen Gradienten der Magnetfeldstärke ist bei Magnetscheidern gegeben, bei denen magnetisierbare Materialien von nichtmagnetisierbaren Materialien getrennt werden z.B. Trennen vonAnother area of application for high magnetic fields with high gradients of the magnetic field strength is in magnetic separators given in which magnetizable materials from non-magnetizable Materials are separated e.g. separating from
313H80313H80
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schwaohraagnetischem Erz wie Hämatit von Gestein, oder Trennen von Pyrit aus der Kohle. Dabei ergibt sich die Trennkraft aus dem Produkt der Magnetisierbarkeit des zu trennenden Materials mit dem Betrag der magnetischen Feldstärke und dem örtlichen Gradienten der Magnetfeldstärke. Zur Erzielung eines möglichst großen Trenneffektes ist es daher erwünscht, am Ort des zu trennenden Gutes gleichzeitig sowohl eine möglichst hohe Magnetfeldstärke als auch einen möglichst hohen Gradienten der Magnetfeldstärke zu erzeugen. Insbesondere eine hohe Magnetfeldstärke läßt sich durch supraleitende Wicklungen wegen ihrer hohen realisierbaren Stromdichten bei gleichzeitiger Vermeidung von ohmschen Verlusten erzeugen.Schwaohraagnetic ore such as hematite from rock, or separating of pyrite from coal. The separation force results from the product of the magnetizability of the material to be separated Material with the magnitude of the magnetic field strength and the local gradient of the magnetic field strength. To achieve a separation effect that is as large as possible, it is therefore desirable to have both one at the same time at the location of the item to be separated to generate the highest possible magnetic field strength and the highest possible gradient of the magnetic field strength. In particular a high magnetic field strength can be achieved by superconducting windings because of their high realizable current densities generate simultaneous avoidance of ohmic losses.
Jedoch läßt sich wegen der notwendigen kryotechnischen Isolation zwischen der supraleitenden Wicklung (ca. 5K) und dem zu trennenden Material (ca. 300K) ein gewisser Mindestabstand zwischen der supraleitenden Wicklung und dem zu trennenden Material nicht unterschreiten, so daß der Ort der maximalen Magnetfeldstärke, der innerhalb des Wicklungsquerschnittes liegt, nicht beliebig nah an den Nutzraum herangeführt werden kann.However, because of the necessary cryogenic insulation between the superconducting winding (approx. 5K) and the material to be cut (approx. 300K) a certain minimum distance between the superconducting winding and the one to be cut Do not fall below the material, so that the location of the maximum magnetic field strength is within the winding cross-section cannot be brought as close as desired to the usable space.
Es ist ein Magnetscheider mit supraleitenden Spulen bekannt geworden, (K. Schönert et al, Solenoid-pile Separator, a New' High Intensity Magnetic Separator with Superconductive Coils, Proceedings of XIIth International Mineral Processing Congress, Sao Paulo, Brazil (1977)), bei dem ein hoher Gradient der Magnetfeldstärke durch Aufeinanderstapeln von wechselseitig entgegengesetzt gepolten Spulen realisiert ist.A magnetic separator with superconducting coils has become known (K. Schönert et al, Solenoid-pile Separator, a New ' High Intensity Magnetic Separator with Superconductive Coils, Proceedings of XIIth International Mineral Processing Congress, Sao Paulo, Brazil (1977)), in which a high gradient of the magnetic field strength is created by stacking Mutually oppositely polarized coils is realized.
Bei den Magnetsystemen gemäß den genannten Druckschriften werden rechteckige Wicklungsquerschnitte verwendet. Die maximal realisierbare Magnetfeldstärke, die bei Verwendung rechteckiger Wicklungsquerschnitte innerhalb dieses Wick-In the magnet systems according to the cited publications, rectangular winding cross-sections are used. the maximum realizable magnetic field strength, which when using rectangular winding cross-sections within this winding
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lungsquersehnittes liegt, ist bei supraleitenden Wicklungen durch die materialbedingte kritische Magnetfeldstärke begrenzt.Lungsquersehnittes is, is in superconducting windings limited by the material-related critical magnetic field strength.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitende Spule oder Spulenanordnung zu schaffen, deren Spulenkonfiguration und -querschnitt die Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Gradienten der Magnetfeldstärke in einem Nutzraum unter Berücksichtigung der geschilderten Probleme erlaubt.The object of the invention is to provide a superconducting coil or To create coil assembly, their coil configuration and cross-section, the generation of high magnetic fields with high gradients of the magnetic field strength in a usable space Consideration of the problems described is allowed.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule sich mit zunehmendem Abstand vom Nutzraum verjüngt. Hierdurch kann der Ort maximaler Magnetfeldstärke verglichen mit rechteckigen Wickelquerschnitten relativ weit zum Nutzraum hin verlagert werden, ohne daß der Gradient der Magentfeldstärke im Nutzraum verringert wird.This object is achieved in that the winding cross-section of the superconducting coil increases with increasing distance from Usable space is tapered. This allows the location of maximum magnetic field strength compared to rectangular ones Winding cross-sections are relocated relatively far towards the usable space without the gradient of the magnetic field strength im Usable space is reduced.
In vorteilhafter Weise ist der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule wenigstens annähernd trapezförmig ausgebildet, wobei die längere Trapezgrundseite zum Nutzraum hin ausgerichtet ist.The winding cross-section is advantageously the superconducting one Coil at least approximately trapezoidal, with the longer trapezoidal base facing the usable space is aligned.
Vorzugsweise ist der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule hinsichtlich Form- und Flächeninhalt derart optimiert, daß der Ort der maximalen Magnetfeldstärke möglichst nahe am Nutzraum liegt. Als Optimierungspararaeter gehen hier u.a.The winding cross-section of the superconducting coil is preferably optimized in terms of shape and surface area in such a way that that the location of the maximum magnetic field strength is as close as possible to the usable space. The optimization parameters here include
ein:a:
Querschnittsform (z.B. Höhe, Breite, Trapezwinkel) der Spule, Wickeldrahtabmessungen, Form der Spule und ggf. Anordnung mehrerer Spulen (z.B. D-förmig ausgebildete Spulen oder Spulen in race-track-Anordnung d.h. mit ovaler Wicklungsbahn). Cross-sectional shape (e.g. height, width, trapezoidal angle) of the coil, winding wire dimensions, shape of the coil and, if applicable, arrangement several coils (e.g. D-shaped coils or coils in a race-track arrangement, i.e. with an oval winding track).
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein theoretisch günstiger Wickelquerschnitt der Spule durch einen geschlossenen Polygonzug angenähert.In a further embodiment of the invention, a theoretically favorable winding cross-section of the coil is through a closed one Polygon course approximated.
Dieser Polygonzug ist vorzugsweise durch eine Stufenfunktion dargestellt, wobei die Leiterdiraensionen berücksichtigt werden.This polygon is preferably a step function shown, taking into account the conductor dimensions.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bestehen die supraleitenden Wicklungen der Spule, die im Bereich maximaler Magnetfeldstärke liegen, aus supraleitendem Material mit besonders hoher kritischer Magnetfeldstärke, z.B. Wi>^i*n Auf diese Weise läßt sich die supraleitende Spule im wesentlichen aus relativ einfach zu verarbeitenden supraleitenden Materialien wie NbTi (kritische Magnetfeldstärke ungefähr 8 bis -9T) herstellen. Lediglich die Querschittsbereiche der supraleitenden Spule, bei denen das Auftreten maximaler Magnetfeldstärke erwartet wird, werden mit Wicklungen versehen, deren Material eine besonders hohe kritische Magnetfeldstärke aufweist. Solch ein Material ist z.B A/fa^-Srt mit einer kritischen Magnetfeldstärke von ungefähr 13 bis UT. A/i^-SV? ist jedoch, relativ teuer und in der Verarbeitung problematisch, da es sehr spröde ist.According to a further advantageous embodiment, there are superconducting windings of the coil, which are in the range of maximum magnetic field strength, made of superconducting material particularly high critical magnetic field strength, e.g. Wi> ^ i * n In this way, the superconducting coil can essentially be made relatively easy to process produce superconducting materials such as NbTi (critical magnetic field strength about 8 to -9T). Only that Cross-sectional areas of the superconducting coil, in which the occurrence of maximum magnetic field strength is expected, are provided with windings, the material of which has a particularly high critical magnetic field strength. Such a material is e.g. A / fa ^ -Srt with a critical magnetic field strength of approximately 13 to UT. A / i ^ -SV? is, however, relatively expensive and in the Processing problematic because it is very brittle.
Von besonderem Vorteil ist die beanspruchte Ausgestaltung der Erfindung für eine Anordnung von supraleitenden Spulen in einem Magnetsystem, bei der jeweils die einander zugewandten Querschnitte zweier benachbarter Spulen einen gemeinsamen Wickelquerschnitt bilden, der sich mit zunehmendem Abstand vom Nutzraum verjüngt. Bsw. können bei einer race-track-Anordnung die Querschnitte zweier benachbarter Spulen, die gleichläufig von Strom durchflossen werden, aneinanderliegenThe claimed configuration of the Invention for an arrangement of superconducting coils in a magnet system, in which each of the facing Cross-sections of two adjacent coils form a common winding cross-section, which increases with increasing distance tapered from the usable space. E.g. in a race-track arrangement, the cross-sections of two adjacent coils that are traversed by current in the same direction, lie next to each other
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und eine Baueinheit mit gemeinsamen trapezförmigen Wickelquerschnitt bilden, dessen längere Trapezgrundseite zum Nutzraum hin gerichtet ist. Vorzugsweise werden bei einer Anordnung von supraleitenden Spulen in einem Magnetsystem, das mehrere aneinandergereihte Wicklungsquerschnitte aufweist, die beiden äußeren Wicklungsquerschnitte des Magnetsystems mit einer kleineren (z.B. halb so großen) Querschnittsfläche versehen wie die inneren Wicklungsquerschnitte des Magnetsystems. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung läßt sich das Auftreten einer Feldüberhöhung über das mittlere maximale Feld hinaus an den Rändern des' Magnetsystems vermeiden.and a structural unit with a common trapezoidal winding cross-section form whose longer trapezoidal base is directed towards the usable space. Preferably at a Arrangement of superconducting coils in a magnet system with several winding cross-sections in a row the two outer winding cross-sections of the magnet system with a smaller (e.g. half as large) Cross-sectional area provided like the inner winding cross-sections of the magnet system. Through this Embodiment of the invention can be the occurrence of a field increase beyond the mean maximum field addition to the Avoid the edges of the 'magnet system.
Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, sollen die Erfindung sowie weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen näher erläutert werden.
20Using the drawing, in which several exemplary embodiments of the invention are shown, the invention and further advantageous refinements and developments are to be explained in more detail.
20th
Es zeigen:Show it:
Fig.1 eine schematische Darstellung eines Magnetscheider mit einer race-track-Anordnung von supraleitenden Spulen über einem . Förderband, in Richtung des Pfeils I in Fig. 21 shows a schematic representation of a magnetic separator with a race-track arrangement of superconducting coils over a . Conveyor belt, in the direction of arrow I in FIG. 2
gesehen,
Fig.2 eine schematische Darstellung gemäß Fig. 1seen,
FIG. 2 shows a schematic representation according to FIG. 1
im Schnitt H-II1 in section H-II 1
Fig.3 einen Spulenquerschnitt, Fig.U eine schematische Darstellung eines Trommelmagnetscheiders mit einer race-track-Anordnung von supraleitenden Spulen in perspektivischer Darstellung, 35FIG. 3 shows a coil cross section, FIG. U shows a schematic representation of a Magnetic drum separator with a race-track arrangement of superconducting coils in a perspective view, 35
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Fig.5 eine schematische Darstellung eines Tromraelmagnetscheiders mit nebeneinander angeordneten, D-förmig ausgebildeten5 shows a schematic representation of a Tromrael magnetic separator with side by side arranged, D-shaped
supraleitenden Spulen in perspektivischer Darstellung und
Fig.6 eine Darstellung des örtlichen Verlaufs dersuperconducting coils in perspective and
6 shows the local course of the
Magnetfeldstärke.
IOMagnetic field strength.
IO
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Bandmagnetscheider, bei dem unter einem Förderband 1 vier supraleitende Magnetspulen angeordnet sind. Die Spulen 2 sind oval oder race-track-förmig ausgebildet und liegen mit ihrer jeweiligen Längsachse in Laufrichtung (Pfeil 14) des Förderbandes 1. Die Wicklungen zweier benachbarter Spulen 2 stoßen im Bereich ihrer geraden Abschnitte 3 aneinander und bilden auf diese Weise einen gemeinsamen Wickelquerschnitt 4. Jeweils zwei benachbarte Spulen sind gegensinnig von Strom durchflossen, sodaß in jedem der gemeinsamen Wickelquerschnitte 4 eine einheitliche Stromrichtung auftritt.Figures 1 and 2 show a belt magnetic separator in which under a conveyor belt 1 four superconducting magnetic coils are arranged. The coils 2 are oval or race-track-shaped and lie with their respective Longitudinal axis in the running direction (arrow 14) of the conveyor belt 1. The windings of two adjacent coils 2 butt in the area their straight sections 3 against each other and in this way form a common winding cross section 4. Two each Adjacent coils are traversed by current in opposite directions, so that in each of the common winding cross-sections 4 one uniform current direction occurs.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Wickelquerschnitte 4 der Spulen 2 trapezförmig. Die gesamte Spulenanordnung ist durch eine kryotechnische Isolation 5 gegen die Umgebungstemperatur abgeschirmt, was lediglich durch eine strichlierte Linie angedeutet ist. Insbesondere diese Isolation 5 bedingt einen Mindestabstand zwischen den supraleitenden Wicklungen un.d dem Nutzraum 6, der nicht beliebig verringert werden kann.As can be seen from Fig. 2, the winding cross-sections 4 of the coils 2 are trapezoidal. The entire coil arrangement is through a cryotechnical insulation 5 shielded from the ambient temperature, which is only indicated by a dashed line is indicated. In particular, this insulation 5 requires a minimum distance between the superconducting windings and the Usable space 6, which cannot be reduced at will.
Außerhalb der Isolation 5 läuft das Förderband 1, auf dem das zu trennende Gut 7 an der Spulenanordnung vorbeigeführt wird. Das stärker magnetisierbare Material wandert während des Passierens der Spulenanordnung zu Orten wachsender Gradienten der Magnetfeldstärke (in die Nähe der Spulenquerschnitte 4) und reichert sich dort an, während das nur geringOutside the insulation 5, the conveyor belt 1 runs on which the material 7 to be separated is guided past the coil arrangement. The more strongly magnetizable material migrates to locations of increasing gradients as it passes through the coil arrangement the magnetic field strength (in the vicinity of the coil cross-sections 4) and accumulates there, while only slightly
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magnetisierbar Material so gut wie unbeeinflußt bleibt.magnetizable material remains as good as unaffected.
Figur 3 zeigt den Querschnitt einer einzelnen Spule, der im wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Der zur Spulenmitte weisende Trapezschenkel ist durch eine Stufenfunktion angenähert.'Figure 3 shows the cross-section of a single coil, which in is essentially trapezoidal. The trapezoidal leg pointing towards the center of the coil is a step function approximated. '
In den Figuren U und 5 sind Trommelmagnetscheider mit erfindungsgemäßen supraleitenden Spulen dargestellt. Gemäß Figur 4 sind in einer Trommel 9 race-track-förmig ausgebildete supraleitende Magentspulen 10 in Richtung der Trommellängsachse nebeneinander angeordnet. Die Spulenform ist hier der Zylinderkrümmung angepaßt. Der Querschnitt der Spulenanordnung kann der in Figur 2 schematisch dargestellten Anordnung entsprechen.In Figures U and 5 are drum magnetic separators according to the invention superconducting coils shown. According to FIG. 4, 9 are race-track-shaped in a drum formed superconducting magnet coils 10 arranged next to one another in the direction of the longitudinal axis of the drum. The coil shape is adapted to the cylinder curvature here. The cross section of the The coil arrangement can correspond to the arrangement shown schematically in FIG.
Gemäß Figur 5 sind die supraleitenden Magnetspulen 11 D~förmig ausgebildet und zu einer Spulenanordnung aneinandergereiht. Der der Zylinderoberfläche zugewandete Abschnitt der Magnetspulen 11 kann einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, dessen längere Grundseite nach außen zur Zylinderoberfläche hin, an die sich der Nutzraum für Materialtrennung anschließt,, ausgerichtet ist.According to FIG. 5, the superconducting magnet coils 11 are D-shaped and lined up to form a coil arrangement. The portion of the magnet coils 11 facing the cylinder surface can have a trapezoidal cross-section, its longer base facing outwards towards the cylinder surface, to which the usable space for material separation is located connects ,, is aligned.
Die Figur 6 stellt den Betrag der Magnetfeldstärke B als Ortsfunktion dar. Als Ortsparameter ist eine Achse χ gewählt, die aus dem Wicklungsquerschnitt 12 herausweist und sich bis in den Nutzraum 13 erstreckt. Die durchgezogene Linie zeigt den Magnetfeldstärkeverlauf für einen rechteckigen wicklungsquerschnitt, während die strichlierte Kurve die Magnetfeldstärke für einen erfindungsgemäßen trapezförmigen Wicklungsquerschnitt zeigt. Es ist ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Wicklungsquerschnitt (strichlierte Kurve)FIG. 6 shows the magnitude of the magnetic field strength B as a position function. An axis χ is chosen as the position parameter, which points out of the winding cross-section 12 and extends into the useful space 13. The solid line shows the magnetic field strength curve for a rectangular winding cross-section, while the dashed curve shows the magnetic field strength shows for a trapezoidal winding cross-section according to the invention. It can be seen that in the winding cross-section according to the invention (dashed curve)
./ΙΟ-./ΙΟ-
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der Punkt maximaler Magnetfeldstärke in Richtung Nutzraum 13 verlagert ist. Dies führt zu einer erheblichen Erhöhung der
Magnetfeldstärke im Nutzraum von ca. 10 bis 20?. Der Gradient der Magnetfeldstärke im Nützraum 13 hat bei einem
erfindungsgemäßen Wicklungsquerschnitt etwa den gleichen Wert wie bei einem rechteckigen Wicklungsqüerschnitt.the point of maximum magnetic field strength is shifted in the direction of the useful space 13. This leads to a considerable increase in the magnetic field strength in the usable space of approx. 10 to 20? The gradient of the magnetic field strength in the useful space 13 has a
winding cross-section according to the invention has approximately the same value as in the case of a rectangular winding cross-section.
Die Erhöhung des Betrages der Magnetfeldstärke im Nutzraum
erhöht bei Magnetscheidern die Trennkraft.The increase in the amount of magnetic field strength in the usable space
increases the separating force of magnetic separators.
Die erfindungsgemäße Modifikation des Wickelquerschnittes der supraleitenden Magnetspulen bedingt je nach Gesamtausführungsform bei der Fertigung keinen Zusatzaufwand gegenüber nach dem Stand der Technik gefertigten Magnetspulen.The modification according to the invention of the winding cross-section of the superconducting magnet coils depends on the overall embodiment No additional effort in production compared to magnetic coils manufactured according to the state of the art.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3131480C2 (en) | 1992-01-30 |
| EP0071986A3 (en) | 1983-05-04 |
| EP0071986A2 (en) | 1983-02-16 |
| EP0071986B1 (en) | 1985-12-27 |
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Legal Events
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Owner name: BBC BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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Owner name: ASEA BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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