[0001] Die Erfindung betrifft eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit einer hohlen
Spule mit konstantem Innenradius zur Erzeugung eines Betriebsmagnetfeldes in einem
Arbeitsvolumen um eine Symmetrieachse, wobei die Spule Wicklungen aus einem anisotropen
Supraleiter umfasst, dessen supraleitende Stromtragfähigkeit in einem Magnetfeld senkrecht
zur Stromrichtung im Leiter sowohl von der Feldamplitude als auch von der Feldrichtung
innerhalb einer Ebene senkrecht zur Stromrichtung abhängt, und mit einer Schnittebene,
welche die Symmetrieachse enthält und die Spule schneidet, wobei die Spule einen rechteckigen
Spulenquerschnitt in der Schnittebene aufweist, der definiert ist durch einen radial
inneren und radial äußeren sowie einen axial ersten und axial zweiten Spulenrand,
definiert durch die Position einer radial innersten und einer radial äußersten Windung
der Spule mit dem kleinsten bzw. größten Abstand zur Symmetrieachse, und durch die
Position einer axial ersten und einer axial letzten Windung der Spule mit der kleinsten
bzw. größten Koordinate entlang der Symmetrieachsenrichtung, und wobei die Spule aufweist:
einen ersten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich, welcher den Spulenquerschnitt
entlang der Symmetrieachsenrichtung vollständig überdeckt und keine in axialer Richtung
vollgewickelte Lage enthält,
einen zweiten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich innerhalb des ersten Spulenbereichs,
welcher den ersten Spulenbereich radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung
zu 10% überdeckt und den axial ersten oder zweiten Spulenrand einschließt,
einen dritten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich innerhalb des ersten Spulenbereichs,
welcher den ersten Spulenbereich radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung
zu 40% überdeckt und an den zweiten Spulenbereich anschließt, wobei die Anzahl der
Windungen des anisotropen Supraleiters im dritten Spulenbereich mehr als das Viereinhalbfache
der Anzahl der Windungen des anisotropen Supraleiters im zweiten Spulenbereich beträgt,
einen vierten und fünften rechteckigen Spulenbereich innerhalb des Spulenquerschnitts,
welche den Spulenquerschnitt radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung
je zu 10 % überdecken und den axial ersten bzw. zweiten Spulenrand einschließen mit
einer ersten und zweiten Spulenrandwindungszahl, gegeben durch die Anzahl Windungen
des anisotropen Supraleiters im vierten bzw. im fünften Spulenbereich und mit einer
maximalen Spulenrandwindungszahl, gegeben durch den Quotienten aus der Querschnittfläche
des vierten oder fünften Spulenbereichs und der Querschnittfläche des anisotropen
Supraleiters.
[0002] Eine solche Magnetspulenanordnung ist bekannt aus Referenz [0]
Hintergrund der Erfindung
[0004] Supraleitende Magnetspulen ermöglichen eine äußerst energieeffiziente Erzeugung von
starken und zeitlich konstanten Magnetfeldern, da sie völlig ohne oder zumindest mit
sehr geringen ohmschen Verlusten betrieben werden können.
[0005] Die elektrische Stromtragfähigkeit eines Supraleiters ist durch seinen kritischen
Strom l
c gegeben. Übersteigt der elektrische Strom im Leiter den Wert von l
c, so findet ein Phasenübergang zu einem normalleitenden Zustand statt, in welchem
der Strom nicht mehr widerstandslos fließt.
[0006] In einem isotropen Supraleiter hängt die Stromtragfähigkeit von der Stärke des Magnetfeldes
ab, welchem er ausgesetzt ist, nicht aber von der Richtung des Magnetfeldes. Bei einem
anisotropen Supraleiter hingegen wird die Stromtragfähigkeit auch vom Winkel des Magnetfeldes
zum Leiter beeinflusst. Dies ist beispielsweise bei Hochtemperatursupraleitern (HTS)
wie (RE)BCO oder Bi-2223 der Fall, deren zugrunde liegende Kupferoxidstruktur einen
zweidimensionalen Charakter hat. So ist der kritische Strom eines HTS-Bandleiters
in einem Magnetfeld, welches senkrecht zur Bandebene steht, typischerweise niedriger
als in einem Feld parallel zur Bandebene.
[0007] In einer aus HTS-Bandleiter gewickelten zylindersymmetrischen Magnetspule führt dies
normalerweise dazu, dass die Stromtragfähigkeit der Spule an den axialen Enden limitiert
ist, da dort die Radialkomponente des Magnetfeldes am größten ist.
[0008] Im Folgenden betrachten wir eine aus anisotropem Supraleiter lagengewickelte zylindersymmetrische
Magnetspule, deren Stromtragfähigkeit durch die von der Spule erzeugte Feldkomponente
in radialer Richtung stärker unterdrückt ist als durch diejenige in axialer Richtung.
Mit "lagengewickelt" ist gemeint, dass entlang des Supraleiters aufeinanderfolgende
Windungen hauptsächlich lagenweise entlang der Symmetrieachse nebeneinander gewickelt
sind, wobei einer Lage jeweils ein konstanter Radius zugeordnet werden kann. Diessteht
im Gegensatz zu sogenannten Pancake-Spulen, bei denen aufeinanderfolgende Windungen
hauptsächlich radial übereinander gewickelt sind.
Stand der Technik
[0009] In den Referenzen [1] und [2] wird die Stromtragfähigkeit der Spule an den axialen
Enden erhöht, indem für die entsprechenden Wicklungen ein Supraleiter mit höherer
Stromtragfähigkeit (größerer Leiterquerschnitt, siehe Referenz [1] oder Supraleiterart
mit höherer kritischer Stromdichte siehe Referenz [2]) verwendet wird. Ein Nachteil
dieser Lösung liegt darin, dass in der Spule kein einheitlicher Supraleiter verwendet
werden kann und dass die unterschiedlichen Leiterstücke für einen Betrieb in Serienschaltung
gezwungenermaßen niederohmig verbunden werden müssen. Außerdem werden in den genannten
Referenzen keine lagengewickelten Spulen betrachtet, sondern solche, die aus mehreren
entlang der Achse axial positionierten Sektionen oder Pancakes bestehen.
[0010] Eine weitere bekannte Möglichkeit, die Stromtragfähigkeit zu erhöhen, ist in Referenz
[3] beschrieben: Ferromagnetische Flansche an den Spulenenden leiten den magnetischen
Fluss um den Supraleiter herum und reduzieren dort die maximale Radialkomponente des
Magnetfeldes. Die relativ schwache Magnetisierung von Ferromagneten schränkt die Effizienz
dieser Methode jedoch deutlich ein.
[0011] In Referenz [4] ist eine Anordnung offenbart, bei welcher die Windungszahl an den
axialen Spulenenden reduziert ist. Allerdings handelt es sich bei dieser bekannten
Spule um eine Anordnung aus mehreren Doppel-"Pancake"-Spulen und nicht um eine lagengewickelte
Solenoid-Spule der eingangs definierten Art. Außerdem wird mit dieser Anordnung nicht
beabsichtigt, die radiale Feldkomponente an den Spulenenden zu verringern.
Referenzen [8] bis [10]:
[0012] Bei diesen Publikationen wurde zwar erkannt, dass durch Reduzieren des Radialfeldes
am Rand einer HTS Spule das Betriebsfeld im Arbeitsvolumen erhöht werden kann, doch
wurden als Lösung zur Reduktion des Radialfeldes jeweils Spulen unterschiedlicher
Längen vorgeschlagen. Die Erhöhung der Betriebsfelder im Arbeitsvolumen aufgrund dieser
Maßnahme ist jedoch gering. Zudem sind bei den bekannten Anordnungen notwendigerweise
jeweils zusätzliche Wickelkörper erforderlich.
[0013] Referenz [5] offenbart eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit mindestens
einer Sektion aus supraleitfähigem Bandleiter, die in einer zylindrischen Wickelkammer
zwischen zwei Endflanschen mehrlagig, solenoidartig durchgehend gewickelt ist, und
die sich dadurch auszeichnet, dass die Sektion einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte
bzw. Notch-Bereich aufweist.
[0014] Referenz [6] beschreibt eine
supraleitende homogene Hochfeldmagnetspule, bei der im axialen Endbereich die Stromdichte derart verringert ist, dass die auf
die Windungen wirkenden Kräfte klein gehalten werden können.
[0015] Die Referenz [7] offenbart eine
supraleitfähige Magnetspulenanordnung, die zumindest eine Sektion aus supraleitfähigem Bandleiter enthält, welche in einer
zylindrischen Wickelkammer zwischen zwei Endflanschen mehrlagig, solenoidartig durchgehend
gewickelt ist. Die bekannte Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Sektion
einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte (= "Notch"-Bereich) aufweist. Allerdings
ist die Windungszahl an den Spulenrändern gegenüber dem Inneren dieses axialen Bereichs
nicht reduziert, wodurch keine Reduktion des Radialfeldes erreicht wird.
[0016] Aus Referenz [11] ist eine Spulengeometrie bekannt, bei welcher der Innendurchmesser
der Wicklungen am Spulenende aufgeweitet wird, um den Einfluss der vertikalen Feldkomponente
auf die kritische Stromdichte zu vermindern. Bei dieser Anordnung wird unter anderem
der innere Spulenradius axial variiert, was aus verschiedenen Gründen nicht besonders
vorteilhaft ist und dem entsprechenden Merkmal einer gattungsgemäßen Spule diametral
entgegengesetzt ist. Außerdem ist ein Mitwickeln von nicht-supraleitendem Material
in einer bezogen auf die Symmetrieachse z zylindersymmetrisch lagengewickelten Spule
nicht einmal andeutungsweise offenbart.
[0017] Die bereits oben zitierte Referenz [0] schließlich beschreibt eine gattungsgemäße
supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit den eingangs definierten Merkmalen, handelt aber ausschließlich von Pancake-Spulen,
nicht jedoch von auf die Symmetrieachse z zylindersymmetrisch lagengewickelten Spulen,
wobei auch ein Mitwickeln von nicht-supraleitendem Material nicht offenbart ist.
Aufgabe der Erfindung
[0018] Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine supraleitfähige
Magnetspulenanordnung der eingangs definierten Art sowie ein Verfahren zu deren Design
mit besonders einfachen technischen Mitteln so zu modifizieren, dass die oben diskutierten
Einschränkungen von derartigen supraleitfähigen Magnetspulenanordnungen, welche typischerweise
an den axialen Enden der Spule auftreten, deutlich abgemildert werden und die Stromtragfähigkeit
der Spule erheblich erhöht wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0019] Diese Aufgabe wird auf einfach zu realisierende, wirkungsvolle Weise mit ohne Weiteres
zur Verfügung stehenden technischen Mitteln durch eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung
der eingangs definierten Art gelöst, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Spule
bezogen auf die Symmetrieachse zylindersymmetrisch lagengewickelt ist, dass die Spule
derart ausgelegt ist, dass das erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente B
r senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse aufweist, deren Maximum im Spulenvolumen
mindestens um 5% kleiner ist als wenn, bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum
des Arbeitsvolumens, die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs entlang
der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative
Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster Spulenrandwindungszahl zur maximalen
Spulenrandwindungszahl im vierten Spulenbereich sowie dem Verhältnis von zweiter Spulenrandwindungszahl
zur maximalen Spulenrandwindungszahl im fünften Spulenbereich entspricht, bei gleich
bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule, dass das Minimum
der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters in der Spule mindestens
3% höher ist als wenn, bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Arbeitsvolumen, die
Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs entlang der Symmetrieachsenrichtung
zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen
dem Verhältnis von erster Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl
im vierten Spulenbereich sowie dem Verhältnis von zweiter Spulenrandwindungszahl zur
maximalen Spulenrandwindungszahl im fünften Spulenbereich entspricht, bei gleich bleibender
Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule, und dass im ersten Spulenbereich
entlang der Symmetrieachse zum Rand hin zusammen mit dem Supraleitermaterial auch
nicht-supraleitendes Material mitgewickelt ist.
Wirkungsweise der Erfindung und weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik
[0020] Unter gewissen Umständen ist die Stromtragfähigkeit von Spulen, die aus anisotropem
Supraleiter gewickelt sind, an den axialen Enden durch die Magnetfeldkomponente in
radialer Richtung limitiert. Die vorliegende Erfindung schlägt eine supraleitfähige
Magnetspulenanordnung vor, welche es ermöglicht, diese Feldkomponente abzuschwächen
und die Stromtragfähigkeit der Spule zu erhöhen.
[0021] Die Stromtragfähigkeit des Supraleiters an den axialen Spulenenden wird
erhöht, indem die radiale Komponente des Magnetfeldes abgeschwächt wird. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Absenkung der Windungszahl in Bereichen an den
Spulenenden erreicht, wobei sowohl der Querschnitt als auch die Art des verwendeten
Supraleiters unverändert bleiben können.
[0022] Die geringere Windungszahl in der Nähe der axialen Spulenenden führt dazu, dass der
radiale magnetische Fluss axial über einen größeren Bereich verteilt wird und die
Radialkomponente des Magnetfeldes lokal kleiner wird. Dadurch wiederum wird dort die
Stromtragfähigkeit des Supraleiters und folglich der gesamten Spule erhöht.
[0023] Ein Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der gleichmäßigeren Verteilung
der Stromtragfähigkeit des Supraleiters in der gesamten Spule. Dadurch wird der Supraleiter
für den Stromfluss besser ausgenutzt, die Spule kann bei einem höheren Strom betrieben
werden. Die benötigte Menge an Supraleitermaterial und somit die Herstellungskosten
sind folglich geringer als bei vergleichbaren herkömmlichen Anordnungen. Andererseits
kann mit derselben Supraleitermenge ein höheres Magnetfeld im Spulenzentrum erzeugt
werden.
[0024] Im Gegensatz zu Anordnungen, bei welchen das Radialfeld passiv, also beispielsweise
mit ferromagnetischen Elementen, beeinflusst wird, ist die erfindungsgemäße Anordnung
durch die bewusste Wahl der Windungsverteilung in der Spule deutlich effizienter.
Außerdem sind zur Realisierung der Anordnung keine zusätzlichen Wickelkörper notwendig,
was räumlichen Platz und Materialkosten spart.
[0025] Besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist die Möglichkeit der Verwendung
eines einheitlichen Supraleiters in der gesamten Spule. Sind nämlich verschiedene
Supraleiter notwendig, z.B. aus unterschiedlichem supraleitenden Material oder verschiedener
Geometrie, so müssen diese zwangsläufig untereinander verbunden sein, damit der elektrische
Strom die Leiterstücke in Serie durchfließen kann. Das Verbinden verschiedener Supraleiter
kann technisch sehr herausfordernd und aufwändig sein.
[0026] Das zusammen mit dem Supraleitermaterial zum Rand hin mitgewickelte nicht-supraleitende
Material dient als Füllmaterial und trägt zur mechanischen Stabilität des Wickelpakets
bei.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
[0027] Bei einer ersten Klasse von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung
ist im vierten und/oder im fünften Spulenbereich die radial aufsummierte Anzahl der
Windungen entlang der Symmetrieachse z zum Rand hin in einer oder mehreren diskreten
Stufen reduziert. Dadurch kann die Radialfeldkomponente in den Spulenenden reduziert
und die Stromtragfähigkeit deutlich gesteigert werden.
[0028] Bei einer dazu alternativen Klasse von Ausführungsformen ist im vierten und/oder
im fünften Spulenbereich die radial aufsummierte Windungszahl entlang der Symmetrieachse
z zum Rand hin quasi-kontinuierlich reduziert. Dies ermöglicht eine noch feinere Modellierung
der Radialfeldkomponente entlang den axialen Spulenenden und eine bessere Optimierung
der Stromtragfähigkeit.
[0029] Besonders bevorzugt sind auch Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Wicklungen
im ersten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich aus einem einzigen ununterbrochenen
Supraleiterstück gewickelt sind, d.h. ohne sogenannte Joints, welche verschiedene
Leiterstücke untereinander verbinden. Somit wird der elektrische Widerstand in der
Spule sehr gering gehalten. Joints zwischen HTS-Supraleitern weisen normalerweise
einen gewissen elektrischen Widerstand auf und führen zu einer Drift des Magnetfeldes,
wenn die Spule nicht mit einer Stromquelle gestützt wird. Joints, welche im Wickelpaket
der Spule untergebracht sind, können außerdem die Feldhomogenität im Arbeitsvolumen
verschlechtern. Nicht zuletzt hat das Wickeln eines einzigen Leiterstücks auch produktionstechnische
Vorteile.
[0030] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung
zeichnen sich dadurch aus, dass der zweite Spulenbereich mit mindestens 20%, insbesondere
mit 40% bis 60%, vorzugsweise mit etwa 50% weniger Leiterwindungen gewickelt ist als
ein axial anschließender Spulenbereich gleicher Geometrie. Durch eine Reduktion der
Windungszahl in diesem Größenbereich ist die Radialfeldkomponente an den axialen Spulenenden
besonders stark reduziert und die Stromtragfähigkeit der Spule deutlich erhöht.
[0031] Ganz besonders bevorzugt ist eine Klasse von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Spulenanordnung, bei denen das von der Spule erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente
B
r senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse z aufweist, deren Maximum im Spulenvolumen
mindestens um 10%, vorzugsweise um bis zu 50%, kleiner ist, als wenn -bei gleichem
Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten
und fünften Spulenbereichs entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin
verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von
erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht
bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
Bei einer solch starken Reduktion der Radialkomponente B
r ist die Erhöhung der Stromtragfähigkeit der Spule besonders lohnenswert.
[0032] Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Erfindung, die sich dadurch auszeichnen,
dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters
in der Spule mindestens 5%, insbesondere bis 30%, vorzugsweise bis zu 50% höher ist,
als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die
Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs entlang der Symmetrieachsenrichtung
zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen
dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl
entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in
der Spule. Je größer die Stromtragfähigkeit der Spule ist, umso größere Magnetfelder
können erzeugt werden, bzw. umso weniger Supraleitermaterial wird zur Erzeugung einer
gegebenen Feldstärke im Arbeitsvolumen benötigt.
[0033] Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet,
dass das mitgewickelte nicht-supraleitende Material Folieneinlagen umfasst. Folien
lassen sich besonders gut zwischen den supraleitenden Windungen unterbringen und können
auf einfache Weise in der gewünschten Geometrie zugeschnitten werden.
[0034] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Reduktion der Windungszahl
an den axialen Spulenenden dadurch bewerkstelligt, dass an den Spulenrändern über
mehrere direkt übereinanderliegende Lagen keine Windungen gewickelt werden.
[0035] In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zur Auslegung einer
supraleitfähigen Magnetspulenanordnung der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Art,
welches sich dadurch auszeichnet, dass eine aus anisotropem Supraleiter bezogen auf
die Symmetrieachse zylindersymmetrisch gewickelte Spule, bei welcher im ersten Spulenbereich
entlang der Symmetrieachse zum Rand hin zusammen mit dem Supraleitermaterial auch
nicht-supraleitendes Material mitgewickelt wird, wobei die Stromtragfähigkeit der
Spule, welche anfänglich an den axialen Enden durch die radiale Magnetfeldkomponente
begrenzt wird, durch Verringerung der Windungszahl in den axialen Endbereichen derart
optimiert wird, dass ihre supraleitende Stromtragfähigkeit erhöht wird. Bei der Optimierung
wird die maximale radiale Magnetfeldkomponente reduziert, indem folgende Parameter
variiert werden:
- die Größe der Optimierungsbereiche an den axialen Spulenenden, in welchen die Windungszahl
verringert wird
- die Anzahl Windungen in den Optimierungsbereichen und
- die Verteilung der Windungen innerhalb der Optimierungsbereiche.
[0036] Die Optimierungsbereiche können dabei auch über die Spulenenden der Ausgangsspule
hinausragen, d.h. die optimierte Spule kann axial durchaus länger sein als die Ausgangsspule.
Die genaue Windungsverteilung in den Optimierungsbereichen kann ferner so gewählt
werden, dass sie in Bezug auf die Kräfte im Wickelpaket und/oder wickeltechnisch vorteilhaft
ist.
[0037] Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es zu einem Spulendesign führt,
welches eine erhöhte Stromtragfähigkeit aufweist und dass die Spule für den Betrieb
bei einer gegebenen Magnetfeldstärke eine insgesamt geringere Supraleitermenge benötigt
wird als für die Ausgangsspule.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
[0038] Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Schnitt-Darstellung durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Magnetspulenanordnung in einer die Symmetrieachse z enthaltenden Ebene mit der relativen
geometrischen Anordnung der fünf definierten Spulenbereiche in einer ersten Ausführungsform
(aus Symmetriegründen ist nur eine Hälfte der Spule dargestellt);
- Fign. 2a-d
- schematische Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Magnetspulenanordnung; wobei Fig. 2a, Fig.2c jeweils die Wickel-Anordnung und Fig.
2b, Fig.2d jeweils die zugehörigen die Spulenbereiche einer zweiten beziehungsweise
dritten Ausführungsform zeigen;
- Fign. 3a,b
- eine schematische Wickelanordnung (Fig. 3a) sowie die zugehörigen Spulenbereiche (Fig.
3b) einer vierten Ausführungsform;
- Fign. 4a,b
- einen schematischen Vergleich der randseitigen Radial-Felder bei einer herkömmlichen
(Fig. 4a) und bei einer erfindungsgemäß modifizierten (Fig. 4b) Magnetspulenanordnung;
und
- Fign. 5a,b
- einen schematischen Vergleich des Verlaufs der magnetischen Feldlinien bei einer erfindungsgemäßen
(Fig. 5a) und bei einer herkömmlichen (Fig. 5b) Magnetspulenanordnung nach dem Stand
der Technik.
[0039] Figur 1 veranschaulicht schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Magnetspulenanordnung.
[0040] Im Wickelpaket der Spule sind die Spulenbereiche 1 bis 5 innerhalb des rechteckigen
Spulenquerschnitts definierbar, die den bestimmten, erfindungsgemäßen Anforderungen
genügen, wie im Folgenden beschrieben wird.
[0041] Die Windungszahl an den axialen Enden der Spule ist reduziert, daher ist mindestens
eine Wickellage nicht mit Supraleiter vollgewickelt. Folglich lässt sich ein
erster radial begrenzter rechteckiger Spulenbereich 1 definieren, welcher den Spulenquerschnitt radial teilweise und entlang der
Symmetrieachse z vollständig überdeckt und keine vollgewickelte Wickellage enthält. Der erste Spulenbereich
1 enthält zudem zwei Unterbereiche, welche die Reduktion der Windungszahl an einem
axialen Ende des ersten Spulenbereichs charakterisieren: Ein
zweiter Spulenbereich 2, der vom Spulenrand her den ersten Spulenbereich 1 entlang der Symmetrieachse auf
10% seiner Länge überdeckt, und ein
dritter Spulenbereich 3, der an den zweiten Spulenbereich 2 anschließt und den ersten Spulenbereich 1 entlang
der Symmetrieachse auf 40% seiner Länge überdeckt. Der zweite und dritte Bereich 2,
3 sind dadurch ausgezeichnet, dass die Anzahl Windungen im zweiten Spulenbereich 2
mindestens viereinhalbmal kleiner ist als jene im dritten Spulenbereich 3.
[0042] Die Reduktion der Windungszahl an den axialen Spulenenden führt in der erfindungsgemäßen
Magnetspulenanordnung zu einer Reduktion der maximalen Radialfeldkomponente und infolgedessen
zu einer Erhöhung der Stromtragfähigkeit, welche durch den Vergleich mit einer modifizierten
Anordnung charakterisiert sind. Dazu werden ein
vierter Spulenbereich 4 und ein
fünfter Spulenbereich 5 definiert, welche den Spulenquerschnitt radial komplett und axial von je einem der
beiden Spulenränder her 10% entlang der Symmetrieachse z überdecken. In der Vergleichsanordnung
sind der vierte und der fünfte Spulenbereich 4, 5 entlang der Symmetrieachsenrichtung
zur Spulenmitte hin verkürzt, sodass bei gleichbleibender Supraleitermenge keine weiteren
Windungen mehr Platz finden würden. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich nun
dadurch aus, dass ihre maximale Radialfeldkomponente mindestens um 5% kleiner und
ihre Stromtragfähigkeit um mindestens 3% größer ist als in der Vergleichsanordnung.
[0043] Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Spulenanordnung beschrieben
und mit einer herkömmlichen Spule mit folgenden Eigenschaften verglichen:
Geometrie des anisotropen Supraleiters: 2 mm x 0.2 mm (Querschnitt)
Radius des radial inneren Spulenrandes: 20 mm
Radius des radial äußeren Spulenrandes: 36 mm
Spulenlänge in axialer Richtung: 192 mm (96 Windungen pro Wickellage)
Anzahl Wickellagen: 80; alle Lagen sind vollgewickelt.
[0044] Die erfindungsgemäße Spulenanordnung ist aus demselben Supraleiter gewickelt und
durch folgende Eigenschaften charakterisiert:
Radius des radial inneren / äußeren Spulenrandes: 20 mm / 32.8 mm
Spulenlänge 240 mm
64 Lagen alternierend vollgewickelt (120 Windungen) - nicht vollgewickelt (z.B. gemäß
schematischer Darstellung Fig. 2a), wobei jede nicht vollgewickelte Lage beginnend
vom einen Spulenrand entlang der Symmetrieachse wie folgt aufgebaut ist:
48 mm ohne Windungen, 144 mm mit 72 Windungen, 48 mm ohne Windungen.
[0045] Zur Überprüfung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Spulenanordnung kann als
erster Spulenbereich 1 eine beliebige nicht vollgewickelte Lage (z.B. die radial innerste)
definiert werden. Der darin enthaltene dritte Spulenbereich 3 beinhaltet dann 84 und
somit 7mal (also mehr als viereinhalbmal) so viele Windungen wie der zweite Spulenbereich
2 mit 12 Windungen. Weiter erhält man nach Verkürzung des vierten bzw. fünften Spulenbereichs
4,5 gemäß der Erfindungsbeschreibung die Vergleichsspule, welche in der folgenden
Tabelle aufgeführt ist:
|
herkömmlich |
erfindungsgemäß |
Vergleich |
Magnetfeld |
4.7 T |
4.7 T |
4.7 T |
Betriebsstrom |
97.4 A |
122.0 A |
121.9 A |
Supraleiterlänge |
1351 m |
1019 m |
1019 m |
max. Radialfeld |
1.8 T |
1.0 T |
1.7 T |
Stromtragfähigkeit |
100.5 A |
125.2 A |
107.9 A |
Stromauslastung |
97% |
97% |
113% |
[0046] Das maximale Radialfeld der erfindungsgemäßen Spulenanordnung ist um rund 40% kleiner
als dasjenige der Vergleichsspule. Entsprechend ist die Stromtragfähigkeit um 16%
erhöht.
[0047] Im Vergleich zur herkömmlichen Spule kann die im Beispiel berechnete erfindungsgemäße
Spule dank der erhöhten Stromtragfähigkeit bei einem höheren Strom betrieben werden.
Für die Erzeugung desselben Feldes im Arbeitsvolumen (4.7 T) und bei gleicher Stromauslastung
(Verhältnis Betriebsstrom zu Stromtragfähigkeit) reduziert sich die zum Wickeln benötigte
Supraleitermenge um 25%.
[0048] Die Figuren 2a bis 2d zeigen Ausführungsformen, bei welchen alle Windungen im ersten
Spulenbereich aus einem einzigen ununterbrochenen Supraleiterstück gewickelt sind.
Die kontinuierlichen Linien im Wickelpaket der Figuren 2a und 2c stellen schematisch
den Supraleiter dar, und die gestrichelten Linien nicht-supraleitendes Füllmaterial.
In den Figuren 2b und 2d sind die den Figuren 2a und 2c entsprechenden
Spulenbereiche 1';1" 2';2" 3';3" sowie 4 und 5, respektive, dargestellt.
[0049] Der Spulenbereich 1' (Fig. 2b) beinhaltet beispielsweise die radial drittinnerste,
nicht vollgewickelte Lage.
[0050] Der Spulenbereich 1" (Fig. 2d) beinhaltet beispielsweise die drei radial innersten,
nicht vollgewickelten Lagen.
[0051] Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Ausführungsform, bei welcher die Reduktion der
Windungszahl an den axialen Spulenenden dadurch erreicht wird, dass an den Spulenrändern
über mehrere direkt übereinanderliegende Lagen keine Windungen gewickelt werden. Die
kontinuierlichen Linien im Wickelpaket der Figur 3a stellen schematisch die Lagenbereiche
dar, welche mit Supraleiter gewickelt sind. In der Figur 3b sind die in der Figur
3a entsprechenden
Spulenbereiche 1'" 2'" 3'" sowie 4 und 5 dargestellt.
[0052] Es ist zu beachten, dass die axialen Grenzen der Spulenbereiche 2 bis 5 nicht unbedingt
den Grenzen zwischen vollgewickelten und nicht vollgewickelten Bereichen in der Spule
entsprechen müssen.
[0053] Die Figuren 4a und 4b zeigen in einer Gegenüberstellung die randseitigen Radial-Felder
bei einer herkömmlichen und bei einer erfindungsgemäß modifizierten Magnetspulenanordnung.
Dargestellt sind jeweils zylindersymmetrische Magnetspulen (Schnitt durch eine die
Symmetrieachse z enthaltende Ebene) sowie die Isofeldlinien der Radialkomponente des
Magnetfeldes. Die äußerste Linie entspricht 0.25 T, und mit jeder Linie Richtung Maximum
nimmt das Feld um 0.25 T zu.
[0054] Bei der erfindungsgemäß modifizierten Anordnung in Fig. 4b ist die Windungszahl an
den axialen Enden reduziert. Bei der in Fig. 4a gezeigten herkömmlichen Anordnung
nach dem Stand der Technik ist eine Referenzspule mit homogener Windungszahl dargestellt,
die den gleichen Innen- und Außenradius wie die erfindungsgemäße Anordnung aufweist,
wobei die Spulenlänge entlang der Symmetrieachse so gewählt ist, dass dieselbe Leitermenge
wie bei der erfindungsgemäßen Spule gewickelt ist. In der herkömmlichen Magnetspulenanordnung
erreicht das maximale Radialfeld eine Stärke von ungefähr 1.75 T, während dieses bei
der erfindungsgemäßen Anordnung bei gleicher Magnetfeldstärke im Zentrum des Arbeitsvolumens
nur ca. 1.0 T beträgt.
[0055] Bei gleicher Stromauslastung, aber höherem Strom, erzeugt die erfindungsgemäße Spule
in ihrem Zentrum ein größeres Magnetfeld als die herkömmliche Referenzspule, da ihre
Stromtragfähigkeit größer ist als diejenige der Referenzspule.
[0056] In den Figuren 5a und 5b schließlich sind die Feldlinien des jeweils erzeugten Magnetfeldes
bei einer zylindersymmetrischen erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung (Fig. 5a)
beziehungsweise bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik (Fig. 5b) in einem
schematischen Schnitt durch eine die Symmetrieachse z enthaltende Ebene dargestellt.
[0057] Bei der in Fig. 5a dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung, ist die Windungszahl
des Supraleiters an den axialen Randbereichen gegenüber dem zentralen Bereich reduziert.
Die Feldlinien stellen den magnetischen Fluss dar, wobei deren Dichte der magnetischen
Feldstärke entspricht. Aufgrund der stufenweise reduzierten Windungszahl verteilt
sich der um die Spulenenden fließende magnetische Fluss über in axialer Richtung längere
Randbereiche und ist deutlich verdünnt. Die magnetische Feldstärke weist folglich
eine relativ kleine Komponente in radialer Richtung auf (Pfeile).
[0058] Fig. 5b zeigt eine zylindersymmetrische Spule mit homogener (voller) Stromdichte
nach dem Stand der Technik mit einer konstanten Windungszahl entlang der Symmetrieachse.
Im Vergleich zur erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 5a sind die axialen Enden
zur Spulenmitte hin verkürzt, so dass die Gesamtwindungszahl der Spule gleich groß
ist. Außerdem erzeugt die bekannte Spule im Zentrum dieselbe Feldstärke wie die erfindungsgemäße
Spule. Wegen der abrupt abfallenden Windungszahl konzentriert sich der magnetische
Fluss jedoch an den axialen Spulenrändern. Diese Flusskonzentration führt zu einer
größeren radialen Magnetfeldkomponente mit einem Maximum an diesen Stellen (Pfeile).
[0059] Fig. 5a zeigt im Vergleich dazu eine erfindungsgemäße Spule, bei welcher die Stromdichte
an den axialen Enden reduziert wurde. Die Magnetfeldstärke, die der Dichte der Feldlinien
entspricht, ist an den Enden der erfindungsgemäßen Spule deutlich reduziert.
[0060] Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht unter anderem in
der gleichmäßigeren Verteilung der Stromtragfähigkeit des Supraleiters in der gesamten
Spule. Dadurch wird der Supraleiter besser ausgenutzt und die Spule kann bei einem
höheren Strom betrieben werden. Die benötigte Supraleitermenge und damit die Materialkosten
sind geringer bzw. mit derselben Supraleitermenge kann ein höheres Magnetfeld im Spulenzentrum
erzeugt werden.
[0061] Besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist die Verwendung eines einheitlichen
Supraleitermaterials in der gesamten Spule.
Bezugszeichenliste:
[0062]
- 1; 1'; 1"; 1"'
- erster radial begrenzter rechteckiger Spulenbereich
- 2; 2'; 2"; 2'"
- zweiter radial begrenzter rechteckiger Spulenbereich
- 3; 3'; 3"; 3'"
- dritter radial begrenzter rechteckiger Spulenbereich
- 4
- vierter rechteckiger Spulenbereich
- 5
- fünfter rechteckiger Spulenbereich
- z
- Symmetrieachse der Magnetspulenanordnung
Referenzliste:
[0063] Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften
[0] CHEN, X.Y., JIN, J.X.: Evaluation of Step-Shaped Solenoidal Coils for Current-Enhanced
SMES Applications. IEEE Transactions an Applied Superconductivity, Vol. 24, 2014,
No. 5, S. 1-4. IEEE Xplore [online]. D01: 10.1109/TASC.2014.2356572
[1] US-A 5,525,583
[2] US 2015/0213930 A1
[3] US-A 5,659,277
[4] US-A 5,581,220.
[5] DE 102004043987 B3
[6] DE 39 23 456 C2
[7] DE 10 2004 043 988 B3
[8] "Factors determining the magnetic field generated by a solenoid made with a superconductor
having current anisotropy", M. Däumling and R. Flükiger, (1995) Cryogenics, Vol. 35.
pp. 867-870
[9] "Effects of conductor anisotropy on the design of BiSCCO sections of 25 T solenoids",
H.W. Weijers et al. (2003), Supercond. Sci. Technol. Vol. 16, pp. 672-681
[10] "Radial magnetic field reduction to improve critical current of HTS solenoid", J. Kang
et al, Physica. C., 2002, vol. 372-76 (3), pp. 1368-1372.
[11] JPH06-5414A
1. Supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit einer hohlen Spule mit konstantem Innenradius
zur Erzeugung eines Betriebsmagnetfeldes in einem Arbeitsvolumen um eine Symmetrieachse
(z), wobei die Spule Wicklungen aus einem anisotropen Supraleiter umfasst, dessen
supraleitende Stromtragfähigkeit in einem Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung im
Leiter sowohl von der Feldamplitude als auch von der Feldrichtung innerhalb einer
Ebene senkrecht zur Stromrichtung abhängt, und mit einer Schnittebene, welche die
Symmetrieachse (z) enthält und die Spule schneidet, wobei die Spule einen rechteckigen
Spulenquerschnitt in der Schnittebene aufweist, der definiert ist durch einen radial
inneren und radial äußeren sowie einen axial ersten und axial zweiten Spulenrand,
definiert durch die Position einer radial innersten und einer radial äußersten Windung
der Spule mit dem kleinsten bzw. größten Abstand zur Symmetrieachse (z), und durch
die Position einer axial ersten und einer axial letzten Windung der Spule mit der
kleinsten bzw. größten Koordinate entlang der Symmetrieachsenrichtung,
und wobei die Spule aufweist:
einen ersten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich (1; 1' 1"; 1'"),
welcher den Spulenquerschnitt entlang der Symmetrieachsenrichtung vollständig überdeckt
und keine in axialer Richtung vollgewickelte Lage enthält,
einen zweiten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich (2; 2'; 2"; 2"') innerhalb
des ersten Spulenbereichs (1; 1' 1"; 1'"), welcher den ersten Spulenbereich (1; 1';
1"; 1'") radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung zu 10% überdeckt
und den axial ersten oder zweiten Spulenrand einschließt,
einen dritten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich (3; 3'; 3"; 3"') innerhalb
des ersten Spulenbereichs (1; 1'; 1"; 1'"), welcher den ersten Spulenbereich (1; 1'
1"; 1'") radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung zu 40% überdeckt
und an den zweiten Spulenbereich (2; 2'; 2"; 2"') anschließt, wobei die Anzahl der
Windungen des anisotropen Supraleiters im dritten Spulenbereich (3; 3'; 3"; 3"') mehr
als das Viereinhalbfache der Anzahl der Windungen des anisotropen Supraleiters im
zweiten Spulenbereich (2; 2'; 2"; 2"') beträgt,
einen vierten und fünften rechteckigen Spulenbereich (4 bzw. 5) innerhalb des Spulenquerschnitts,
welche den Spulenquerschnitt radial vollständig und entlang der Symmetrieachsenrichtung
je zu 10 % überdecken und den axial ersten bzw. zweiten Spulenrand einschließen mit
einer ersten und zweiten Spulenrandwindungszahl, gegeben durch die Anzahl Windungen
des anisotropen Supraleiters im vierten bzw. im fünften Spulenbereich (4 bzw. 5) und
mit einer maximalen Spulenrandwindungszahl, gegeben durch den Quotienten aus der Querschnittfläche
des vierten oder fünften Spulenbereichs (4 bzw. 5) und der Querschnittfläche des anisotropen
Supraleiters,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spule bezogen auf die Symmetrieachse (z) zylindersymmetrisch lagengewickelt ist,
dass die Spule derart ausgelegt ist, dass das erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente
B
r senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse (z) aufweist, deren Maximum im
Spulenvolumen mindestens um 5% kleiner ist als wenn, bei gleichem Betriebsfeld der
Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens, die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs
(4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären,
wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster Spulenrandwindungszahl
zur maximalen Spulenrandwindungszahl im vierten Spulenbereich (4) sowie dem Verhältnis
von zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl im fünften
Spulenbereich (5) entspricht, bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen
Supraleiters in der Spule,
dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters in
der Spule mindestens 3% höher ist als wenn, bei gleichem Betriebsfeld der Spule im
Arbeitsvolumen, die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs (4 bzw. 5)
entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die
relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster Spulenrandwindungszahl
zur maximalen Spulenrandwindungszahl im vierten Spulenbereich (4) sowie dem Verhältnis
von zweiter Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl im fünften
Spulenbereich (5) entspricht, bei gleich bleibender Anzahl Windungen des anisotropen
Supraleiters in der Spule,
und
dass im ersten Spulenbereich (1; 1' 1"; 1"') entlang der Symmetrieachse (z) zum Rand hin
zusammen mit dem Supraleitermaterial auch nicht-supraleitendes Material mitgewickelt
ist.
2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten oder fünften Spulenbereich (4 bzw. 5) die radial aufsummierte Anzahl der
Windungen entlang der Symmetrieachse (z) zum Rand hin in diskreten Stufen reduziert
ist.
3. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten oder fünften Spulenbereich (4 bzw. 5) die radial aufsummierte Windungszahl
entlang der Symmetrieachse (z) zum Rand hin quasikontinuierlich reduziert ist.
4. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen im ersten radial begrenzten rechteckigen Spulenbereich (1; 1' 1";
1'") aus einem einzigen ununterbrochenen Supraleiterstück gewickelt sind.
5. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spulenbereich (2; 2'; 2"; 2"') mit mindestens 20% weniger Leiterwindungen
gewickelt ist als ein axial anschließender Spulenbereich gleicher Geometrie.
6. Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spulenbereich (2; 2'; 2"; 2"') mit 40% bis 60% weniger Leiterwindungen
gewickelt ist als ein axial anschließender Spulenbereich gleicher Geometrie.
7. Spulenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spulenbereich (2; 2'; 2"; 2"') mit etwa 50% weniger Leiterwindungen gewickelt
ist als ein axial anschließender Spulenbereich gleicher Geometrie.
8. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Spule erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente Br senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse (z) aufweist, deren Maximum im
Spulenvolumen mindestens um 10% kleiner ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der
Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs
(4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären,
wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter
Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich
bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
9. Spulenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Spule erzeugte Magnetfeld eine Feldkomponente Br senkrecht zur Stromrichtung und zur Symmetrieachse (z) aufweist, deren Maximum im
Spulenvolumen um bis zu 50%, kleiner ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der
Spule im Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs
(4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären,
wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter
Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich
bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
10. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters in
der Spule mindestens 5% höher ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im
Zentrum des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs
(4 bzw. 5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären,
wobei die relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter
Spulenrandwindungszahl zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich
bleibender Anzahl Windungen des anisotropen Supraleiters in der Spule.
11. Spulenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters in
der Spule bis 30% höher ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum
des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs (4 bzw.
5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die
relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl
zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen
des anisotropen Supraleiters in der Spule.
12. Spulenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Minimum der supraleitenden Stromtragfähigkeit des anisotropen Supraleiters in
der Spule bis zu 50% höher ist, als wenn -bei gleichem Betriebsfeld der Spule im Zentrum
des Arbeitsvolumens- die Ausdehnungen des vierten und fünften Spulenbereichs (4 bzw.
5) entlang der Symmetrieachsenrichtung zur Spulenmitte hin verkürzt wären, wobei die
relative Verkürzung der Ausdehnungen dem Verhältnis von erster und zweiter Spulenrandwindungszahl
zur maximalen Spulenrandwindungszahl entspricht bei gleich bleibender Anzahl Windungen
des anisotropen Supraleiters in der Spule.
13. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mitgewickelte nicht-supraleitende Material Folieneinlagen umfasst.
14. Verfahren zur Auslegung einer supraleitfähigen Magnetspulenanordnung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer supraleitfähigen Magnetspulenanordnung mit einer aus anisotropem
Supraleiter bezogen auf die Symmetrieachse (z) zylindersymmetrisch lagengewickelten
Spule, bei welcher im ersten Spulenbereich (1; 1'; 1"; 1'") entlang der Symmetrieachse
(z) zum Rand hin zusammen mit dem Supraleitermaterial auch nicht-supraleitendes Material
mitgewickelt wird, wobei die Stromtragfähigkeit der Spule an den axialen Enden durch
die radiale Magnetfeldkomponente begrenzt wird, durch Verringerung der Windungszahl
in den axialen Endbereichen der Spule (="Optimierungsbereiche") die maximale radiale
Magnetfeldkomponente reduziert wird, wobei durch Variation der Parameter
- Größe der Optimierungsbereiche, in welchen die Windungszahl verringert wird
- Anzahl Windungen in den Optimierungsbereichen
- Verteilung der Windungen innerhalb der Optimierungsbereiche die supraleitende Stromtragfähigkeit
der Spule erhöht wird.