SUPERCONDUCTING COIL

Abstract: 1. Flat supraconductive magnetic coil (2, 10, 11) for non-overlapping side-by-side arrangement in magnetic separators for generating strong magnetic fields having high magnetic field strength gradients within the range of a useful space (6, 13) extending adjacently to the cross-sectional area of the coil above the latter, characterised in that the winding cross-section (4, 12) of the coil (2, 10, 11) tapers down with increasing distance from the useful space (6, 13).

Description: Supraleitende Spule Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spule zur Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Feldstärkegradienten in einem Nutzraum. Es ist bekannt zur Erzeugung hoher Gradienten der Magnetfeldstärke zur Fokusierung geladener Teilchen in Beschleunigern Quadrupolmagnete zu verwenden. Es wurde eine supralelt.ende Ausführungsform einer solchen Anordnung mit einem Quadrupel magneten beschrieben (. Arendt, Bau und Betrieb zweier supralei tender Quadrupolmagnete für ein Hyperonenexperiment im CERN, Kernforschungszentruni Karlsruhe KfK-2632 (1979)). Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der magnetische Rückfluss durch ein Eisenjoch geführt. Ein weiteres Anwendungsgebiet für hohe Magnet felder mit hohen Gradienten der Magnetfeldstärke ist bei Magnetseheidern gegeben, bei denen magnetisierbare Materialien von nicht- magnetisierbaren Materialien getrennt werden z.B. Trennen von schwachmagnetischem Erz wie Hämatit von Gestein, oder Trennen von Pyrit aus der Kohle. Dabei ergibt sich die Trennkraft aus dem Produkt der Magnetisierbarkeit des zu trennenden Materials mit dem Betrag der magnetischen Feldstärke und dem örtlichen Gradienten der Magnetfeldstärke. Zur Erzielung eines möglichst grossen Trenneffektes ist es daher erwünscht, am Ort des zu trennenden Gutes gleichzeitig sowohl eine möglichst hohe Magnet feldstärke 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. Jedoch lässt sich wegen der notwendigen kryotechnischen Isolation zwischen der supraleitenden Wicklung (ca. 5K) und dem zu trenneilden Material (ca. 300) ein gewisser Mindestabstand zwischen der supraleitenden Wicklung und dem zu trennenden Material nicht unterschreiten, so dass der Ort der maximalen Magnetfeldstärke, der innerhalb des fWicklungsquer- schnittes liegt, nicht beliebig nah an den Nutzraum herangeführt werden kann. Es ist ein Magnetscheider mit supraleitenden Spulen bekannt geworden, (K Schönert et al, Solenoid-pile Separator, a New High Intensity Magnetic Separator with Superconductive Coils, Prcceedings von XIIth International Mineral Processing Congress, Sao Paulo, Brazil (197Y)), bei dem ein hoher Gradient der Magnotfeldstärke durch Aufeinanderstapeln von wechselseitig entgegengesetzt gepolten Spulen realisiert ist. Bei den Magnetsystemen gemäss den genannten Druckschriften werden rechteckige Wicklungsquerschnitte verwendet. Die maximal real;sierSare -3;tgnetfeldstärke, die bei Verwendung rechtecki ger Wicklungsquerschnitte innerhalb dieses Wick lungsquerschnittes liegt, ist bei supraleitenden Wicklungen durch die materialbedingte kritische Magnetfeldstärke begrenzt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitende Spule oder Spulenanordnung zu schaffen, deren Spulenkonfiguration und -querschnitt die Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Gradienten der Magnet feldstärke in einem Nutzraum unter Berücksichtigung der geschilderten Probleme erlaubt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule sich mit zunehmendem Abstand vom Nutzraum verjüngt. Hierdurch kann der Ort maximaler Magnetfeldstärke verglichen mit rechteckigen Wiokeiquerschnitten relativ weit zum Nutzraum hin verlagert werden, ohne dass der Gradient der Magentfeldstärke im Nutzraum verringert wird. In vorteilhafter Weise ist der Wickelquerschnitt der supraleitenden Spule wenigstens annähernd trapezförmig ausgebildet, wobei die längere Trapezgrundseite zum Nutzraum hin ausgerichtet ist. 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 Optimierungsparameter gehen hier u.a. ein: 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 Wicklungs bahn). In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein theoretisch günstiger Wickelquerschnitt der Spule durch einen geschlossenen Polygonzug angenähert. Dieser Polygonzug ist vorzugsweise durch eine Stufenfunktion dargestellt, wobei die Leiterdimensionen berücksichtigt werden Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bestehen die supraleitenden Wicklungen der Spule, die im Bereich maximaler Magneteeldstarke liegen, aus supraleitendem Material mit besonders hoher kritischer Magnetfeldstrke, z.B. Auf diese leise 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 Nb3Sn mit einer kritischen Magnetfeldstärke von unge fähr 13 bis 14T. Nb3Sn ist jedoch relativ teuer und in der Verarbeitung problematisch, da es sehr spröde ist. Von besonderem Vorteil ist die beanspruchte Ausgestaltung der Erfindung für eine Anordnung von supraleitenden Spulen in einem Magnet system, 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, aneinanderliegen 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. Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen näher erläutert werden. Es zeigen: Fig.l eine schematische Darstellung eines Magnetscheiders mit einer race-track-Anordnung von supraleitenden Spulen über einem Förderband, in Richtung des Pfeils I in Fig. 2 gesehen, Fig.2 eine schematische Darstellung gemäss Fig. 1 im Schnitt II-II, Fig.3 einen Spulenquerschnitt, Figur eine schematische Darstellung eines Trommelmagnetscheiders mit einer race-track-Anordnung von supraleitenden Spulen in perspektivischer Darstellung, Fig.5 eine schematische Darstellung eines Trommelmagnetscheiders mit nebeneinander angeordneten, D-förmig ausgebildeten supraleitenden Spulen in perspektivischer Darstellung und Fig.6 eine Darstellung des örtlichen Verlaufs der Magnet feldstärke. Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Bandinagnetscheider, bei dem unter einem Förderband 1 vier supraleitende Magnetspulen angeordnet sind. Die Spulen 2 sind ova? 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 geinelnsamen Wickelquerschnitt 4. Jeweils zwei benachbarte Spulen sind gegensinn von Strom durchflossen, sodass in jedem der gemeinsamen Wickelquerschnitte 4 eine einheitliche Stromrichtung auftritt. Wie aus Fig. 2 ersichtlieh, sind die Wickelquerschnitte 4 der Spulen 2 trapezförmig. Die gesamte Spulenanordnung ist durch eine kryotechnische Isolation 5 gegen die Umgebungstemperatur abgeschirmt, was lediglich durch eine strichlierte Linie angedeutet ist. Insbesondere diese Isolation 5 bedingt einen Mindestabstand zwischen den supraleitenden Wicklungen und dem Nutzraum 6, der nicht beliebig verringert werden kann. Ausserhalb der Isolation 5 läuft das Förderband 1, auf dem das zu trennende Gut 7 an der Spulenanordnung vorbeigeführt wird. Das stärker magnetisierbare Material wandert während des Passierens der Spuienanordnung zu Orten wachsender Gradienten der Magnetfeldstärke (in die Nähe der Spulenquerschnitte 14) und reichert sich dort an, während das nur gering magnetisierbare Material so gut wie unbeeinflusst bleibt. Figur 3 zeigt den Querschnitt einer einzelnen Spule, der im wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Der zur Spulenmitte weisende Trapezschenkel ist durch eine Stufenfunktion 8 angenähert. In den Figuren 4 und 5 sind Trommelmagnetscheider mit er findungsgemässen supraleitenden Spulen dargestellt. Gemäss Figur 4 sind in einer Trommel 9 race-track-förmig ausgebildete supraleitende MagentspuSen 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. 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. Die Figur 6 stellt den Betrag der Magnetfeldstärke B als Ortsfunktion dar. Als Ortsparameter ist eine Achse x gewählt, die aus dem Wicklungsquerschnitt 12 herausweist und sich bis in den Nutzraum 13 erstreckt. Die durchgezogene Linie zeigt den Magnetfeldstärkeverlauf für einen rechteckigen Wicklungsquerschnitt, während die strichlierte Kurve die Magnetfeldstärke für einen erfindungsgemässen trapezförmigen Wicklungsquerschnitt zeigt. Es ist ersichtlich, dass bei dem erfindungsgemässen Wicklungsquerschnitt (strichlierte Kurve) der Punkt maximaler Magnetfeldstärke in Richtung Nutzraum 13 verlagert ist. Dies führt zu einer erheblichen Erhöhung der Magnetfeldstärke im Nutzraum von ca. 10 bis 20%. Der Gradient der Magnetfeldstärke im Nutzraum 13 hat bei einem erfindungsgemässen Wicklungsquerschnitt etwa den gleichen Wert wie bei einem rechteckigen Uicklungsquerschnitt. Die Erhöhung des Betrages der Magnetfeldstärke im Nutzraum erhöht bei Magnetscheidern die Trennkraft. Die erfindungsgemässe Modifikation des Wickelquerschnittes der supraleitenden Magnetspulen bedingt je nach Gesamtaus führungsform bei der Fertigung keinen Zusatzaufwand gegenüber nach dem Stand der Technik gefertigten Magnetspulen.

Claims: Ansprüche 1. Supraleitende Magnetspule (2, 10, 11) zur Erzeugung hoher Magnetfelder mit hohem Gradienten der Magnetfeldstärke in einem Nutzraum (6, 13), dadurch gekennzeichnet,daR der Wickelquerschnitt (14, 12) der Spule (2, 10, 11) sich mit zunehmendem Abstand vom Nutzraum (6, 13) verjüngt. 2. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) wenigstens annähernd trapezförmig ausgebildet ist und die längere Trapezgrundseite zum Nutzraum (6, 13) hin gerichtet ist. 3. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) hinsichtlich Form und Flächeninhalt derart optimiert ist, dass der Ort der maximalen Magentfeldstärke möglichst nahe am Nutzraum (6, 13) liegt. 14. Supraleitende Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzechnet, dass ein theoretisch günstiger Wickelquerschnitt (4, 12) der Spule (2, 10, 11) durch einen geschlossenen Polygonzug angenähert ist. 5. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Polygonzug wenigstens teilweise durch eine Stufenfunktion (8) dargestellt ist. 6. Supraleitende Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daR die supraleitenden Wicklungen der Spule (2, 10, 11), die im Bereich maximaler Magnetfeldstärke liegen, aus supraleitenden Materialien mit besonders hoher kritischer Magnetfeldstärke, z.B. #83Sz bestehen. 7. Anordnung von supraleitenden Magentspulen nach einem der Anprüche 1 bis 6, in einem Magentsystem, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die einander zugewandten Spulenabschnitte eier benachbarter Spulen (2, 10) zu einer Baueinheit zusammengefasst sind und einen gemeinsamen Wickelquerschnitt (4) bilden, der sich mit zunehmenden Abstand VC41 Nutzraum (6, 13) verjüngt. 8. Anordnung von supraleitenden Magentspulen nach einem der Anprüche 1 bis 7, in einem Magnetsystem, das mehrere aneinandergereihte lfiickelquerschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äusseren Wickelquerschnitte des Magnetsystems eine kleinere, vorzugsweise halb so grosse Querschnittsfläche aufweisen, wie die inneren Wicklungsquerschnitte (4) des Magnetsystems.

Inventors: DUSTMANN, CORD-HENRICH, DR. DIPL.-PHYS.
Applicants: BROWN, BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: H01F5
IPC codes: B03C1, H01F6