Spuleneinrichtung mit Dauerstromschalter Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spuleneinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial, wobei die Spulenwicklung Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms ist, und wobei der geschlossene Stromkreis einen Dau- erstromschalter mit einem schaltbaren Leiterabschnitt aufweist, der zwischen einem supraleitendem Zustand und einem normalleitendem Zustand umschaltbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Dauerstromschalter für eine derartige Spuleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms in einer Spulenwicklung einer solchen Spuleneinrichtung .

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Anwendungen be ^¬ kannt, bei denen supraleitende Spulen verwendet werden, um einen Dauerstrom in einem geschlossenen supraleitenden Stromkreis nahezu verlustfrei aufrechtzuerhalten. Dies kann bei ^¬ spielsweise zur Erzeugung von Magnetfeldern und/oder zur Speicherung von Energie genutzt werden. Bei der Magnetreso- nanzbildgebung und der Magnetresonanzspektroskopie werden solche supraleitenden Magnetspulen benutzt, um die hier benötigten starken und zeitlich möglichst konstanten statischen Magnetfelder zu erzeugen. In rotierenden elektrischen Maschinen können kurzgeschlossene supraleitende Spulen benutzt wer ^¬ den, um ein permanentes Erregermagnetfeld zur Verfügung zu stellen. Eine solche kurzgeschlossene Spule kann insbesondere auf dem Rotor einer solchen Maschine angeordnet sein. Eine weitere Anwendung von kurzgeschlossenen supraleitenden Magnetspulen liegt im Bereich der supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) , bei denen das Beladen und Entladen einer solchen kurzgeschlossenen Spule genutzt wird, um elektromagnetische Energie in dem durch die Spule erzeugten Mag ^¬ netfeld zwischenzuspeichern und anschließend wieder in einem äußeren Stromkreis zur Verfügung zu stellen. Den beschriebe- nen Anwendungen ist gemeinsam, dass typischerweise ein

Gleichstrom dauerhaft durch eine kurzgeschlossene Spule fließt und dabei ein stationäres Magnetfeld erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den spezifischen Prob- lernen beim Be- und Entladen des in solchen Spulen fließenden Stroms .

Um eine solche Spule mit einem Strom zu beladen, ist typi ^¬ scherweise in den geschlossenen Stromkreis ein supraleitender Dauerstromschalter integriert. Ein solcher Dauerstromschalter weist einen supraleitenden Leiterabschnitt auf, der bei ^¬ spielsweise durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt werden kann. Wenn die Spule gleichzeitig mit einer Stromquelle in einem äußeren Stromkreis verbunden wird, kann sie bei geöffnetem Dauerstromschalter mit einem Strom beladen werden .

Ein Entladen des in dem geschlossenen Stromkreis durch die Spulenwicklung fließenden Stroms kann gewollt oder ungewollt ausgelöst werden. Ein absichtliches Entladen kann durch ein

Öffnen des Dauerstromschalters ausgelöst werden, und die Spu ^¬ le kann dazu mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein, in den sich der vorher über den geschlossenen Stromkreis fließende Strom wenigstens zum Teil entladen kann. Dies kann bei- spielsweise zum Abrufen der in einem SMES gespeicherten Energie verwendet werden. Ist die Spule dagegen beim Entladen nicht mit einem äußeren Stromkreis verbunden, wird die in der Spule gespeicherte elektromagnetische Energie vollständig als Wärme im Bereich des Dauerstromschalters dissipiert. Diese Wärme könnte bei großen Magnetsystemen den Schalter zerstören. Ein solches Öffnen des Schalters ohne externen Stromkreis ist dort also zu vermeiden.

Ein Entladen der Spule kann auch auf andere Weise als durch ein kontrolliertes Öffnen des Dauerstromschalters ausgelöst werden: So kann ein lokaler Temperaturanstieg in der Spulenwicklung dazu führen, dass ausgehend von diesem Bereich die supraleitenden Eigenschaften der ganzen Spulenwicklung zusam- menbrechen. Durch diese Wärmeentwicklung können die supraleitenden Eigenschaften der gesamten Spulenwicklung zusammenbrechen, was als „Quench" bezeichnet wird. Ein solcher Quench kann sich durch die thermische Kopplung der verschiedenen Be- reiche schnell ausbreiten. Bei einer Anordnung der supraleitenden Spulenwicklung in einem mit flüssigem Helium gekühlten Kryostaten verdampft bei einem solchen Quench typischerweise das gesamte Helium, was zu relativ hohen Kosten und einem Ausfall in der Nutzungsdauer des Systems führt. Um einen Schaden der supraleitenden Leiterelemente durch lokales Überhitzen der Leiter zu vermeiden, wird die schnelle Ausbreitung eines solchen Quenchs unter Umständen sogar gefördert. Ein lokales Überhitzen kann detektiert werden, und andere Berei ^¬ che der Spulenwicklung können dann ebenfalls absichtlich zum Quenchen gebracht werden, damit der Stromfluss möglichst schnell zusammenbricht und keine Schädigung des zuerst lokal erwärmten Leiterbereichs auftritt. Dieses Verfahren wird üb ^¬ licherweise bei Magnetresonanzspulen angewandt, um die Leiter vor dauerhafter Überhitzung zu schützen.

Es kann auch zweckmäßig sein, einen solchen Quench über einen Notausschalter auszulösen, um bei einem Störfall der Spuleneinrichtung ein schnelles Abschalten des von der Spule erzeugten Magnetfeldes zu ermöglichen. Über einen derartigen Notausschalter kann beispielsweise eine der Spulen absicht ^¬ lich beheizt werden, um in der Folge einen Zusammenbruch der Supraleitung in der gesamten Spulenwicklung auszulösen.

Nachteilig bei dem beschriebenen Stand der Technik ist, dass bei den Entlade- und Quenchvorgängen ein hoher Teil der in der Spulenwicklung gespeicherten Energie als Wärme im Bereich der Spulenwicklung dissipiert wird. Dies kann zu unnötigem Verlust von teurem Kühlmittel, zum Verlust von Energie und/oder zu einer thermischen Belastung der empfindlichen supraleitenden Leitermaterialien führen. Insbesondere bei Magnetresonanzspulen ist der Verlust des flüssigen Heliums bei solchen Quenchvorgängen ein hoher Kostenfaktor. Bei SMES- Speicherspulen ist vor allem der Verlust von gespeicherter Energie nachteilig, wenn ein Teil davon durch Quenches oder auch beim kontrollierten Entladen als Wärme in der Spulenwicklung verloren geht. Ein weiterer Nachteil der bekannten Dauerstromschalter ist, dass die Schaltzeit für die Öffnung des Schalters relativ langsam ist und somit ein Entladen der Energie in einen äußeren Stromkreis nur langsam erfolgen kann. Auch dies kann zu höheren Verlusten und einer höheren Wärmeentwicklung in der Spulenwicklung führen, als es bei einer schnelleren Entladung der Fall wäre.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Spuleneinrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll ein Dauerstromschalter angegeben werden, mit dem eine Verringerung der Dissipation von Wärme im Bereich der elektrischen Spulenwicklung erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es, einen derartigen Dauerstromschalter für eine solche Spuleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms anzugeben. Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Spuleneinrichtung, den in Anspruch 14 beschriebenen Dauerstromschalter und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst . Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine elektrische Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial, wobei die Spulenwicklung Teil eines in sich geschlos ^¬ senen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms ist. Der geschlossene Stromkreis weist einen Dauerstromschalter mit einem schaltbaren Leiterabschnitt auf, der zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist. Der schaltbare Leiterabschnitt weist einen hochtemperatursupraleitenden Leiter auf und hat im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 300 Ohm. Dem schaltbaren Leiterabschnitt ist ein Abklingwiderstand von wenigstens 50 Ohm und/oder ein Verbraucher mit einem effektiven Widerstand von wenigstens 50 Ohm parallelge ^¬ schaltet . Unter einem Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-T _c - Supraleiter (HTS) soll hier allgemein ein supraleitendes Material mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K verstan- den werden. Bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, liegt die Sprungtemperatur dieser Supraleiter sogar oberhalb von 77 K, so dass die Betriebstempera ^¬ tur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. Ein Vorteil der Hochtempe- ratursupraleiter gegenüber vielen metallischen Tieftemperatursupraleitern für die Verwendung in dem genannten Dauerstromschalter liegt darin, dass sie im normalleitenden Zustand oft einen relativ hohen Widerstand aufweisen und dass somit der Dauerstromschalter im geöffneten Zustand auch rela- tiv durchschlagfest ausgestaltet werden kann.

In der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung ist dem Dauerstromschalter ein Abklingwiderstand von wenigstens 50 Ohm oder ein entsprechender Verbraucher parallelgeschaltet. Ein wesentlicher Vorteil dieses parallelen Strompfades ist, dass bei einem Öffnen des Dauerstromschalters ein großer Teil der elektrischen Energie in diesen parallelen Strompfad umgeleitet wird und somit dieser Teil nicht in der Spulenwicklung oder im Dauerstromschalter als Wärme dissipiert wird. Der Ab- klingwiderstand beziehungsweise der effektive Widerstand des Verbrauchers ist dabei mit wenigstens 50 Ohm groß genug, um im geschlossenen Zustand des Dauerstromschalters ein Abflie ^¬ ßen des Dauerstroms in diesen parallelgeschalteten Strompfad zu vermeiden, da dann der Strom in dem nahezu widerstands- freien geschlossenen supraleitenden Strompfad der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters fließt.

Der Widerstand des Dauerstromschalters von wenigstens 300 Ohm im normalleitenden, also geöffneten, Zustand bewirkt, dass im geöffneten Zustand des Dauerstromschalters der Strom zum grö ^¬ ßeren Teil über den Abklingwiderstand beziehungsweise den Verbraucher abfließt und nur zu einem kleineren Teil über den normalleitenden Leiterabschnitt des Dauerstromschalters. Hiermit wird vorteilhaft erreicht, dass beim Entladen der Spulenwicklung ein geringerer Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie als Wärme in der Spulenwicklung dissipiert wird und ein größerer Teil entweder über den Abklingwiderstand dissipiert wird oder im Verbraucher umge ^¬ setzt wird. Somit wird ein Energieverlust innerhalb des ge ^¬ schlossenen Stromkreises der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters vorteilhaft reduziert. Ganz besonders vorteil ^¬ haft kann die Dissipation von Wärmeenergie in der Spulenwick- lung so weit reduziert werden, dass die supraleitenden Eigenschaften im Bereich der Spulenwicklung aufrechterhalten werden können, die Spulenwicklung also nicht quencht . Bei einer Kühlung der supraleitenden Komponenten mit Helium wird dann gleichzeitig ein Verlust an flüssigem Helium vermieden oder zumindest reduziert, da das den Supraleiter umgebende Kühl ^¬ mittel nicht vollständig verdampft wird. Hierdurch kann auch die Dauer bis zu einem möglichen erneuten Beladen der Spulenwicklung vorteilhaft reduziert werden. Der erfindungsgemäße Dauerstromschalter ist für eine erfindungsgemäße Spuleneinrichtung ausgelegt. Er weist einen schaltbaren Leiterabschnitt auf, wobei dieser einen hochtem- peratursupraleitenden Leiter umfasst und im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 300 Ohm aufweist. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Dauerstromschal ^¬ ters ergeben sich im Zusammenspiel mit den übrigen Elementen der Spuleneinrichtung und entsprechen den oben im Zusammenhang mit der Spuleneinrichtung beschriebenen Vorteilen. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms in einer erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung. Dabei wird der schaltbare Leiterabschnitt des Dauer ^¬ stromschalters von einem supraleitenden Zustand in einen normalleitenden Zustand umgeschaltet. Auch die Vorteile dieses Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der Spuleneinrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Spuleneinrichtung, des Dauerstrom- Schalters und des Verfahrens allgemein vorteilhaft miteinan ^¬ der kombiniert werden.

Die Spuleneinrichtung kann einen Kryostaten zur Kühlung des supraleitenden Leitermaterials umfassen, wobei die supralei- tende Spulenwicklung und der schaltbare Leiterabschnitt in ^¬ nerhalb des Kryostaten angeordnet sind. Der Abklingwiderstand und/oder der Verbraucher ist dann vorteilhaft außerhalb des Kryostaten angeordnet. Mit Hilfe des Kryostaten können die supraleitenden Leitermaterialien der Spulenwicklung und des schaltbaren Leiterabschnitts auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des jeweiligen Supraleiters gekühlt werden, sodass ein durchgehend supraleitender geschlossener Stromkreis erhalten werden kann. Bei dem Kryostaten kann es sich beispielsweise um einen offenen Badkryostaten handeln, aus dem das verwendete Kühlmittel gegebenenfalls verdampfen kann. Alternativ kann es sich auch um einen Kryostaten mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf handeln, in dem ein Kühlmittel entweder verflüssigt vorliegt oder auch zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen (oder auch überkriti- sehen) Zustand wechseln kann. Die Anordnung des Abklingwiderstands oder Verbrauchers außerhalb des Kryostaten bewirkt vorteilhaft, dass die bei einem Entladen der Spulenwicklung in den Abklingwiderstand oder den Verbraucher übertragene Energie nicht zu einer Erwärmung des Innenraums des Kryosta- ten beiträgt. Eine Aufrechterhaltung der Kühlung und des supraleitenden Betriebszustands für die innerhalb des Kryostaten angeordneten Komponenten wird dadurch auch beim Entladen der Spule ermöglicht. Der schaltbare Leiterabschnitt kann vorteilhaft im normallei ^¬ tenden Zustand des Leiters einen Widerstand aufweisen, der größer ist der Abklingwiderstand und/oder der Verbraucher. Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass nach einem Öffnen des Dauerstromschalters ein größerer Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie über den Abklingwiderstand und/oder den Verbraucher dissipiert wird und nur ein im Vergleich dazu kleinerer Teil im Bereich des Dauerstromschalters dissipiert wird. Besonders vorteilhaft wird sogar ein mehrheitlicher Teil der Energie im Bereich von Abklingwiderstand und/oder Verbraucher dissipiert. Dazu kann insbesondere der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts in seinem normalleitenden Zustand größer sein als ein Gesamt- widerstand des den Abklingwiderstand und/oder den Verbraucher aufweisenden parallelen Strompfads. Der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts kann im normalleitenden Zustand beispielsweise um mindestens einen Faktor 5, insbesondere um wenigstens einen Faktor 20 höher sein als der Gesamtwider- stand des parallelen Strompfads.

Der schaltbare Leiterabschnitt kann im normalleitenden Zu ^¬ stand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 1000 Ohm, insbesondere wenigstens 5000 Ohm aufweisen. Derart hohe Wi- derstände sind besonders vorteilhaft, um beim Entladen einen besonders hohen, insbesondere einen mehrheitlichen Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie im Bereich des Abklingwiderstands und/oder des Verbrauchers umzusetzen und nur eine geringe Dissipation von Energie im Bereich der Spulenwicklung und/oder des Dauerstromschalters zu verursa ^¬ chen. Die höheren Widerstandswerte von wenigstens 5000 Ohm sind dabei insbesondere im Zusammenhang mit der Anwendung in SMES-Systemen vorteilhaft, da dort nur ein besonders geringer Anteil im Bereich der Spulenwicklung dissipiert werden soll. Der wesentliche Teil der in einem SMES-System gespeicherten Energie soll vielmehr beim Entladen zu einem dem Dauerstromschalter parallel geschalteten Verbraucher gelangen können. Aber auch für andere Systeme ist ein besonders hoher Wider ^¬ stand des geöffneten Dauerstromschalters allgemein vorteil- haft: Bei einem Widerstand von wenigstens 1 MOhm im geöffne ^¬ ten Zustand kann beispielsweise, wenn während der Abklingzeit eine Spannung von etwa 20 kV anliegt, ein Leckstrom von nur etwa 0,02 A zustande kommen. Hierdurch wird während des Ab- klingens im Dauerstromschalter eine kurzzeitige Leistung von nur 400 W dissipiert, was der Dauerstromschalter während der Dauer des Schaltens vorteilhaft aushalten kann. So kann der schaltbare Leiterabschnitt im normalleitenden Zu ^¬ stand des Leiters allgemein vorteilhaft eine Durchschlagfes ^¬ tigkeit für Spannungen von wenigstens 20 kV aufweisen. Hierdurch kann erreicht werden, dass es auch während des Schal ^¬ tens, also insbesondere während des Übergangs vom supralei- tenden in den normalleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts nicht zu einem Spannungsüberschlag kommt und der kurzgeschlossene Dauerstrom kontrolliert ausgeschaltet werden kann. Eine Spannungsfestigkeit von wenigstens 20 kV ist ins ^¬ besondere für Magnetspulen für die Magnetresonanzbildgebung zweckmäßig, da hier durch die sehr hohen Magnetfelder und sehr hohen Dauerströme beim Schalten auch sehr hohe lokale Spannungen am Dauerstromschalter zustande kommen können. Um ein Durchbrennen des Schalters zu vermeiden, können beispielsweise der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts im normalleitenden Zustand und seine thermische Ankopplung an die übrigen Komponenten so gewählt werden, dass der verbleibende Leckstrom den Dauerstromschalter bei der maximal auftretenden Spannung auf eine Temperatur im Bereich unterhalb von 320 K heizt. Die Strecke des schaltbaren Leiterabschnitts soll dabei allgemein lang genug sein, um den erforderlichen Widerstand im normalleitenden Zustand zu erreichen. Andererseits sollte der Querschnitt des Leiterabschnitts groß genug sein, um die für den jeweiligen Dauerstrom erforderliche Stromtragfähigkeit zu erreichen.

Der schaltbare Leiterabschnitt kann einen keramischen Hochtemperatursupraleiter aufweisen. Mit einem keramischen Material kann besonders gut eine hohe Spannungsfestigkeit er ^¬ reicht werden. Insbesondere kann im Vergleich zu metallischen Tieftemperatursupraleitern mit einem solchen keramischen Material auch leicht ein hoher Widerstand im geöffneten Zustand des Schalters erreicht werden. Um im normalleitenden Zustand einen hohen Widerstand und/oder eine hohe Spannungsfestigkeit des gesamten schaltbaren Leiterabschnitts zu erzielen, ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Leiterabschnitt gar keine durchgehenden metallisch leitfähigen Elemente aufweist. Bei Ausführungsformen, bei denen das keramische supraleitende Ma- terial als Schicht auf einem Träger abgeschieden ist, ist es daher vorteilhaft, wenn dieser Träger nicht metallisch ist, sondern aus schlecht leitenden oder nichtleitenden Materialien wie beispielsweise Glas, Keramik und/oder Verbundwerkstoffen gebildet ist. Alternativ kann der Leiterabschnitt aber auch ein im Bulk, also in massiver Form vorliegendes keramisches supraleitendes Leiterelement aufweisen. Hat die supraleitende Keramik einen zu hohen oder einen zu Undefinierten Widerstand für die Anforderungen des Dauerstromschal ^¬ ters, so kann ein relativ schlecht leitender Parallelwider- stand parallelgeschaltet werden. Ein solcher Widerstand kann beispielsweise Werte im Bereich zwischen 0.3 kOhm und

1000 kOhm aufweisen.

Besonders vorteilhaft kann der schaltbare Leiterabschnitt ein Material des Typs BaKBiO aufweisen. Unter diesem Typ soll ein Material verstanden werden, das als Verbindung der genannten vier Elemente vorliegt, insbesondere als Verbindung der Zu ^¬ sammensetzung Ba _x K _y Bi03, wobei beispielsweise x etwa 0,6 und y etwa 0,4 sein kann. Hierbei handelt es sich um ein kerami- sches supraleitendes Material, welches durch eine für ein

HTS-Material vergleichsweise niedrige Sprungtemperatur im Be ^¬ reich von etwa 30 K und durch ein vergleichsweise niedriges oberes kritisches Magnetfeld von etwa 60 mT gekennzeichnet ist .

Allgemein kann die obere kritische Magnetfeldstärke B _C 2 für das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts unterhalb oder bei 100 mT liegen. Eine derart niedrige kriti ^¬ sche Magnetfeldstärke B _C 2 bewirkt, dass der schaltbare Lei- terabschnitt leicht durch eine Veränderung eines lokal wir ^¬ kenden Magnetfeldes geschaltet werden kann. Beispielsweise kann die obere kritische Magnetfeldstärke B _C 2 im Bereich zwi ^¬ schen 40 mT und 80 mT liegen. Vorteilhaft liegt die Sprungtemperatur für das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts bei höchstens 50 K, beispielsweise zwischen 25 K und 35 K. Eine solche für einen Hochtemperatursupraleiter vergleichsweise niedrige Sprungtemperatur bewirkt, dass der schaltbare Leiterabschnitt leicht durch eine lokale Erwärmung geschaltet werden kann. Alterna ^¬ tiv zu einem echten Hochtemperatursupraleiter kann prinzipiell auch analog ein supraleitendes Material mit einer Sprung- temperatur unterhalb von 25 K für den schaltbaren Leiterbereich verwendet werden, sofern es sich bei diesem Material um ein keramisches Material handelt, welches somit nicht metal ^¬ lisch leitend ist. Eine Betriebstemperatur für den supraleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts kann vorteilhaft zwischen 4 K und 40 K liegen. Mit einer derartigen Betriebstemperatur kann erreicht werden, dass der Leiterabschnitt durch eine relativ geringe Temperaturerhöhung und/oder eine relativ geringe Er- höhung eines dort lokal wirkenden Magnetfeldes in den normal ^¬ leitenden Zustand gebracht werden kann. Besonders vorteilhaft liegt die Betriebstemperatur für den supraleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts zwischen 10 K und 25 K. Die Schaltzeit für das Umschalten des schaltbaren Leiterab ^¬ schnitts vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand kann vorteilhaft bei höchstens 0,5 s, insbesondere bei höchs ^¬ tens 0,1 s liegen. Eine derart kurze Öffnungszeit hat den Vorteil, dass bei einer Entladung der supraleitenden Spulen- wicklung ein hoher Anteil der in der Spule gespeicherten elektrischen Energie auf den Abklingwiderstand oder den Ver ^¬ braucher übertragen wird und somit nicht im Dauerstromschal ^¬ ter oder der Spulenwicklung dissipiert wird. Dies gilt insbe ^¬ sondere auch für einen Störfall, bei dem das Entladen der Spulenwicklung möglichst schnell durchgeführt werden soll. Durch ein derart schnelles Entladen kann insbesondere er ^¬ reicht werden, dass es nicht zwangsläufig zu einem vollstän ^¬ digen Quenchen kommt. Mit anderen Worten kann die elektrische Spulenwicklung entladen werden und trotzdem im Wesentlichen im supraleitenden Zustand verbleiben, wenn beispielsweise nach einem lokalen Erwärmen das Öffnen des Dauerstromschalters schnell genug stattfindet, dass nur ein geringer Anteil der gespeicherten Energie in der Spulenwicklung dissipiert wird und somit die übrigen Bereiche der Spulenwicklung supra ^¬ leitend bleiben. Auch der lokal erwärmte Bereich kann nach einem derart schnellen Entladen schnell wieder seine Betriebstemperatur erreichen. Beispielsweise kann eine Magnet- spule eines Magnetresonanzgerätes nach einem solchen lokalen Erwärmen und einer nachfolgenden Entladung der Spule sehr schnell wieder zu ihrem ursprünglichen Betriebszustand zu ^¬ rückkehren, wenn kein Quenchen der Magnetspule und somit auch kein vollständiges Verdampfen des umgebenden flüssigen Heli- ums erfolgt. Somit werden Ausfallzeiten und Kühlmittelverbrauch reduziert. Insbesondere kann nach einem solchen Zwischenfall das System ferngesteuert wieder hochgefahren werden, und der nach einem vollständigen Quench üblicherweise benötigte Besuch eines Service-Technikers zum Nachfüllen des Heliums kann entfallen.

Durch ein derart schnelles Schalten kann weiterhin die Gefahr der lokalen Überhitzung des Leitermaterials der Spule bei einem (vollständigen oder lokalen) Quench reduziert werden: Gerade bei Spulenwicklungen mit keramischen Hochtemperatursupraleitern oder Magnesiumdiborid ist die Gefahr des lokalen Überhitzens besonders groß, da diese Materialen eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und sich solche überhitzten Zo ^¬ nen entsprechend langsam ausbreiten. Ein schnelles Öffnen des Dauerstromschalters bei der Detektion eines lokalen Quenchs kann daher eine Materialschädigung dieser schlecht wärmeleitenden Supraleiter wirksam verhindern.

Bei Ausführungsformen, bei denen der Dauerstromschalter dage- gen nicht zum plötzlichen Entladen bei einer lokalen Erwärmung der Spulenwicklung ausgelegt sein muss, ist es im Übrigen ausreichend, wenn der Schalter schnell genug öffnet, um ein kontrolliertes Entladen des Stroms hin zum Abklingwider- stand und/oder zum Verbraucher zu bewirken. Wenn also in einer Magnetresonanz-Spule kein plötzlicher Quench verhindert werden muss, sondern nur ein kontrolliertes Entladen beziehungsweise Herunterfahren des Systems ermöglicht werden soll, kann eine Schalter-Öffnungszeit von bis zu 10 s ausreichend sein. Dies gilt beispielsweise auch bei SMES-Systemen oder bei Erregerspulen elektrischer Maschinen, bei denen typischerweise nicht mit derart plötzlichen Quench-Vorgängen ge ^¬ rechnet werden muss und auch beim Entladen nicht so hohe Energiemengen dissipiert werden müssen wie bei Magnetreso ^¬ nanzsystemen .

Die Spuleneinrichtung kann eine weitere Magnetspule zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldes B _ext zum Schalten des schaltbaren Leiterabschnitts aufweisen. Beispielsweise kann durch ein Einschalten einer solchen Magnetspule ein Öffnen des Dauerstromschalters bewirkt werden, indem durch das Mag ^¬ netfeld B _ext ein Überschreiten der oberen kritischen Magnet ^¬ feldstärke B _C 2 des supraleitenden Materials des Dauerstrom- Schalters bewirkt wird. Das Öffnen des Dauerstromschalters kann dabei prinzipiell allein durch eine Veränderung des lo ^¬ kalen Magnetfeldes oder durch eine Kombination zwischen magnetischem und thermischem Schalten erfolgen. Das Magnetfeld der weiteren Magnetspule kann dabei auch einem bereits vor- handenen Magnetfeld überlagert sein, um ein Magnetfeld B _ext zu erzeugen, mit dem die Magnetfeldstärke B _C 2 überschritten wer ^¬ den kann.

Die Spuleneinrichtung kann eine um den schaltbaren Leiterab- schnitt angeordnete Abschirmspule mit einem in sich kurzge ^¬ schlossenen Strompfad aufweisen, wobei der kurzgeschlossene Strompfad durch einen schaltbaren Leiterabschnitt der Ab ^¬ schirmspule geöffnet werden kann. Mit anderen Worten kann über diesen weiteren schaltbaren Leiterabschnitt der ge- schlossene Strompfad der Abschirmspule geöffnet werden, was die magnetisch abschirmende Wirkung erheblich reduziert. Auf diese Weise kann ein magnetisches Hintergrundfeld, was vorher durch die Abschirmspule weitgehend abgeschirmt wurde, auf den schaltbaren Leiterbereich des Dauerstromschalters einwirken und diesen durch ein Überschreiten dessen oberer kritischer Magnetfeldstärke B _C 2 in seinen normalleitenden Zustand brin ^¬ gen, also den Dauerstromschalter öffnen.

Wie im einleitenden Teil bereits beschrieben, kann es sich bei der Spuleneinrichtung beispielsweise um eine Magnetspu ^¬ leneinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Gerät zur Magnetresonanzbildgebung oder Magnetresonanzspektros- kopie handeln. Alternativ kann es sich um eine Erregerspuleneinrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Erregerfeldes in einer rotierenden elektrischen Maschine handeln. Oder es kann sich beispielsweise um eine Magnetspuleneinrichtung zur Speicherung von Energie in einem supraleitenden mag- netischen Energiespeicher (SMES) handeln. Prinzipiell ist die Grundidee der vorliegenden Erfindung für alle Systeme geeignet, bei denen ein Dauerstrom in einem kurzgeschlossenen supraleitenden Spulensystem fließt.

Das supraleitende Leitermaterial der Spulenwicklung kann prinzipiell ein anderes Material sein als das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts. Insbesondere kann das Material der Spulenwicklung auch Magnesiumdiborid aufwei ^¬ sen oder es kann sich um einen metallischen Supraleiter handeln, also beispielsweise ein auf NbTi oder Nb3Sn basierendes Material. Alternativ können das supraleitende Material der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters auch identisch sein oder zumindest gleiche Bestandteile aufweisen. Die Spu ^¬ lenwicklung kann auch ein anderes keramisches HTS-Material aufweisen als der Dauerstromschalter, beispielsweise ein Material des Typs REBa ₂ Cu ₃ O _x (kurz REBCO) , wobei RE für ein Ele ^¬ ment der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht . In den Fällen, in denen unterschiedliche supraleitende Mate- rialen für Spulenwicklung und Dauerstromschalter zum Einsatz kommen, müssen diese Materialien für den geschlossenen Stromkreis supraleitend beziehungsweise mit einem möglichst gerin- gen Verbindungswiderstand miteinander verbunden werden. Supraleitende Verbindungen zwischen einem keramischen Supraleiter und einem auf NbTi basierenden Leiter sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Aufgrund der großen Kohärenz- länge von NbTi sind solche supraleitenden Verbindungen relativ leicht herstellbar. Beispielsweise kann ein massiver keramischer Supraleiter mit Bohrungen versehen werden, die zur Kontaktierung mit NbTi-Filamenten und supraleitendem Lot gefüllt werden. Alternativ kann eine Kontaktierung über eine Pressversinterung geschaffen werden.

Bei dem Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms kann zum Umschalten ein am Ort des schaltbaren Leiterabschnitts wirkendes Magnetfeld B _ex t verändert werden. Diese Veränderung kann beispielsweise durch Ein- oder Ausschalten einer Magnetspule oder durch Unterbrechen oder Zusammenschließen einer magnetischen Abschirmspule bewirkt werden. Dabei bewirkt ein höheres lokales Magnetfeld B _ex t ein Öffnen des Schalters und ein niedrigeres lokales Magnetfeld ein Schließen des Schalters, sofern dabei das für die jeweilige Temperatur maßgebliche obere kritische Magnetfeld B _C 2 über- oder unterschritten wird. Alternativ oder zusätzlich kann durch ein Heizen des schaltbaren Bereichs ein Öffnen des Schalters bewirkt werden beziehungsweise durch ein Entfernen der Heizung ein Schließen des Schalters bewirkt werden. Mit anderen Worten kann der Dauerstromschalter entweder magnetisch geschaltet werden oder thermisch oder durch eine Kombination beider Methoden. Dabei wird generell der Dauerstromschalter zum Be- oder Entladen der Spulenwicklung geöffnet und für einen Betrieb der Spulenwicklung im Dauerstrommodus geschlossen .

Das Entladen des Dauerstroms kann beispielsweise gezielt aus ^¬ gelöst werden, wenn in der Spulenwicklung eine lokale Erwär- mung detektiert wird. Ein schnelles und insbesondere automa ^¬ tisches Entladen bei einem solchen Ereignis kann die Spulenwicklung vor einem kompletten Zusammenbruch der supraleiten- den Eigenschaften und das System vor einem Verlust des Kühlmittels bewahren.

Alternativ kann das Entladen auch manuell oder anderweitig durch eine Kontrolleinheit gesteuert ausgelöst werden, bei ^¬ spielsweise bei einem kontrollierten Herunterfahren des Systems, bei der Entnahme der in einem SMES-System gespeicherten Energie oder auch bei der Betätigung eines Notaus-Schalters.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spulenein ^¬ richtung nach dem Stand der Technik zeigt,

Figur 2 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spulenein ^¬ richtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,

Figur 3 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spulenein ^¬ richtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,

Figur 4 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit von oberer kritischer Magnetfeldstärke von der Temperatur für einen Dauerstromschalter nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,

Figur 5 einen Dauerstromschalter nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,

Figur 6 einen Dauerstromschalter nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und

Figur 7 einen Dauerstromschalter nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt.

In Figur 1 ist ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spu ^¬ leneinrichtung 1 nach dem Stand der Technik gezeigt. Gezeigt ist eine supraleitende Spulenwicklung 3, die zusammen mit einem Dauerstromschalter 6 innerhalb eines Kryostaten 11 angeordnet ist. Durch den Kryostaten können die supraleitenden Leiterelemente der Spulenwicklung 3 und des Dauerstromschal ^¬ ters 6 auf eine Temperatur unterhalb ihrer jeweiligen Sprung- temperatur gekühlt werden. Über die Spulenwicklung 3 und den Dauerstromschalter 6 ist ein geschlossener Stromkreis 5 ausgebildet, in dem ein Dauerstrom I i bedingt durch die supra ^¬ leitenden Eigenschaften nahezu verlustfrei fließen kann und somit über die Zeit nicht oder nur äußerst langsam abklingt. Bei der Spuleneinrichtung 1 kann es sich beispielsweise um eine Magnetspuleneinrichtung eines Magnetresonanzgeräts han ^¬ deln . Um den Dauerstrom I i in der Spulenwicklung 3 erstmalig aufzuladen, kann der bisher beschriebene Teil des geschlossenen Stromkreises mit einer äußeren Stromquelle 13 verbunden wer ^¬ den und zwar so, dass diese Stromquelle 13 dem Dauerstrom ^¬ schalter 6 parallelgeschaltet ist. Die Stromquelle 13 ist hierbei außerhalb des Kryostaten 11 angeordnet. Sie kann über einen Schalter 10 mit den übrigen Komponenten elektrisch verbunden werden. Bei einem Betrieb der Spuleneinrichtung 1 kann sie entweder wie in Figur 1 gezeigt über eine Leitung mit den übrigen Komponenten verbunden bleiben, oder sie kann auch nach einem Beladevorgang von der Spuleneinrichtung 1 abgetrennt werden. Zum Beladen wird der Dauerstromschalter geöffnet, das heißt, er wird von seinem supraleitenden Zustand in einen normalleitenden Zustand versetzt, wodurch sich sein Leitungswiderstand stark erhöht. Im geöffneten Zustand fließt somit lediglich ein kleiner Leckstrom über den Dauerstromschalter 6, und der Großteil des von der Stromquelle 13 er ^¬ zeugten Ladestroms I ₂ wird als Strom in die Spulenwicklung 3 eingespeist. Wird nun der Dauerstromschalter durch einen Wechsel in seinen supraleitenden Zustand wieder geschlossen, und danach der Ladestrom I ₂ heruntergefahren, verbleibt der Strom I i als ringförmiger Dauerstrom in der Spulenwicklung. Das Schalten des Dauerstromschalters wird nach dem Stand der Technik typischerweise durch Ein- und Ausschalten eines Heizelements bewirkt.

Ein Entladen der in Figur 1 gezeigten Spuleneinrichtung 1 kann beispielsweise dadurch ausgelöst werden, dass ein Lei ^¬ terabschnitt der Spulenwicklung 3 lokal erwärmt wird und da- durch normalleitend wird. Nach dem Stand der Technik breitet sich ein solches Gebiet schnell aus und führt zu einem Quen- chen der ganzen Spule, wobei die Spulenwicklung 3 stark erwärmt wird. Ein kontrolliertes Entladen in den außerhalb des Kryostaten angeordneten parallelen Belade-Stromkreis ähnlich wie beim Beladen wäre theoretisch ebenfalls möglich, jedoch sind die bekannten Dauerstromschalter 6 allgemein zu langsam, um nach einem anfänglichen lokalen Erwärmen eines Teils des supraleitenden Leiters einen vollständigen Quench zu verhin- dern.

Figur 2 zeigt ein ähnliches schematisches Ersatzschaltbild einer Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine zu Figur 1 analoge An- Ordnung von Spulenwicklung 3, Dauerstromschalter 6, Kryostat 11 und äußerer Stromquelle 13. Zusätzlich zu diesen Komponenten ist dem Dauerstromschalter 6 ein außerhalb des Kryostaten 11 angeordneter Abklingwiderstand 9a parallelgeschaltet. Die ^¬ ser Abklingwiderstand 9a weist einen Widerstandswert von we- nigstens 50 Ohm auf. Das Beladen der Spuleneinrichtung 1 mit Hilfe der Stromquelle 13 erfolgt analog wie für Figur 1 be ^¬ schrieben. Auch hier kann die Stromquelle nach dem Beladen entweder abgetrennt werden oder mit dem übrigen System verbunden bleiben. Beim Laden fließt lediglich ein äußerst ge- ringer Anteil des Ladestroms I ₂ über den Abklingwiderstand 9a, da dieser Widerstand deutlich höher ist als der gesamte Widerstand der Spulenwicklung 3 im supraleitenden Zustand.

Bei einem Entladen des in der Spulenwicklung 3 fließenden Dauerstroms I i kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Spuleneinrichtung durch ein Öffnen des Dauerstromschalters 6 ein Abfließen eines erheblichen Anteils des Stroms über den parallelgeschalteten Abklingwiderstand 9a bewirkt werden. Beim Öffnen des Dauerstromschalters 6 wird ein schaltbarer Leiterabschnitt des geschlossenen Stromkreises 5 von einem supraleitenden in einen normalleitenden Zustand versetzt, und der Widerstand erhöht sich entsprechend stark. Der Widerstand des Leiterabschnitts im normalleitenden Zustand soll hier we- nigstens 300 Ohm betragen, damit beim Entladen nur ein möglichst geringer Teil des Stroms als Leckstrom I ₄ über diesen geöffneten Dauerstromschalter 6 fließt. Das Verhältnis zwischen dem über den Abklingwiderstand 9a fließenden Entlade- ström I3 und dem über den geöffneten Schalter 6 fließenden Leckstrom I ₄ ist dabei über das Verhältnis der Widerstände des Abklingwiderstands 9a und des geöffneten Schalters vorge ^¬ geben. Daher ist ein möglichst hoher Widerstand des geöffne ^¬ ten Dauerstromschalters 6 vorteilhaft, um beim Entladen einen möglichst hohen Anteil des Stroms über den Abklingwiderstand 9a fließen zu lassen und so insbesondere eine unerwünschte Erwärmung der im Kryostaten angeordneten Elemente zu vermeiden . Ein kontrollierter Entladevorgang kann durch ein Umschalten des Dauerstromschalters 6 in seinen normalleitenden Zustand ausgelöst werden. Bei einem günstigen Widerstandsverhältnis kann abhängig von im Stromkreis 5 anliegender Spannung, Strom und gespeicherter Energie sowie von den Betriebspunkten der supraleitenden Leiterelemente vorteilhaft ein Quenchen der

Supraleitung in der Spulenwicklung 3 vermieden werden. Unter dem Betriebspunkt soll hierbei insbesondere die Betriebstem ^¬ peratur und das im Bereich der Leiter lokal wirkende Magnet ^¬ feld verstanden werden.

Ein unkontrollierter, also spontan ausgelöster Entladevorgang, kann wie beschrieben durch ein lokales Erwärmen eines Leiterbereichs der Spulenwicklung 3 ausgelöst werden. Vorteilhaft kann ein solcher lokaler Quench durch einen Sensor detektiert werden, und es kann daraufhin ein Öffnen des Dauerstromschalters 6 ausgelöst werden, was wie oben beschrieben im Folgenden zu einer Entladung eines großen Teil des Stroms als Entladestrom I3 über den Abklingwiderstand bewirkt. Auch hier kann bei einem ausreichend hohen Widerstandsverhältnis und wiederum abhängig von Spannung, Strom, Energie und Betriebspunkten durch die schnelle Entladung ein Quenchen der gesamten Spulenwicklung 3 vorteilhaft vermieden werden. Vorteilhaft für eine erfolgreiche Vermeidung eines solchen voll- ständigen Quenchs ist eine ausreichend schnelle Öffnungszeit des Dauerstromschalters 6, die vorteilhaft bei weniger als 0,5 s liegen kann. Ein derart schnelles Schalten kann insbesondere dann ermöglicht werden, wenn das Umschalten zwischen supraleitendem Zustand und normalleitenden Zustand zumindest zum Teil durch die Änderung eines lokal wirkenden Magnetfel ^¬ des verursacht wird, da ein solches Magnetfeld typischerweise wesentlich schneller geschaltet werden kann als die Temperatur des schaltbaren Leiterabschnitts verändert werden kann. Durch die Wärmekapazitäten der an einen solchen Leiterabschnitt typischerweise thermisch angekoppelten Elemente ist ein rein thermisches Schalten normalerweise langsamer als ein zumindest zum Teil auf der Änderung elektromagnetischer Felder beruhendes Schalten. Ein schnelles Schalten ist somit vor allem für die Vermeidung eines Quenchs bei einem spontan ausgelösten Entladen vorteilhaft. Ist ein solches spontanes Er ^¬ eignis dagegen durch die Wahl der Betriebsbedingungen der Spulenwicklung 3 weitgehend auszuschließen und muss nur ein kontrolliertes Entladen ermöglicht werden, dann kann der Dau- erstromschalter 6 auch langsamer geschaltet werden, also zum Beispiel auch durch rein thermisch getriggertes Schalten.

Figur 3 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild einer Spu ^¬ leneinrichtung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Spuleneinrichtung 1 ist ähnlich aufgebaut wie bei dem Beispiel der Figur 2. Im Unterschied hierzu ist an ^¬ stelle des Abklingwiderstandes 9a ein Verbraucher 9b parallel zum Dauerstromkreis 5 angeordnet. Bei dem Beispiel der Figur 3 kann es sich insbesondere um ein SMES-System handeln, bei dem überschüssige elektrische Energie eines übergeordneten

Stromkreises in der Spulenwicklung 3 zwischengespeichert wer ^¬ den kann. Um diese Energie für den Verbraucher 9b nutzbar zu machen, kann nun wiederum ein kontrollierter Entladevorgang durch ein Öffnen des Dauerstromschalters 6 ausgelöst werden. Analog wie oben beschrieben fließt dann bei geöffnetem Schalter 6 ein Entladestrom I ₅ über den Verbraucher 9b, so dass die vorher in der Spulenwicklung gespeicherte elektrische Energie vom Verbraucher 9b genutzt werden kann. Um eine hohe Nutzungseffizienz für diese Energie zu gewährleisten, sollte hierfür das Verhältnis zwischen dem Widerstand des geöffneten Dauerstromschalters 6 und dem effektiven Widerstand des Ver ^¬ brauchers 9b möglichst hoch sein, beispielsweise bei wenigs- tens 10:1, insbesondere wenigstens 100:1. So kann ein über den geöffneten Dauerstromschalter fließender Leckstrom I ₄ möglichst gering gehalten werden und der hiermit verbundene Energieverbrauch wird reduziert. Ein zusätzlicher, optionaler Schalter 10a kann beim Beispiel der Figur 3 zwischen Verbrau- eher und Spulenwicklung 3 angeordnet sein, um den Verbraucher nur bei Bedarf mit dem Energiespeichersystem zu verbinden.

Figur 4 zeigt eine Auftragung des im Bereich eines Dauerstromschalters 6 lokal wirkenden Magnetfeldes B _ex t gegen die Temperatur T. Als Kurve ist in diesem Koordinatensystem die Abhängigkeit der oberen kritischen Magnetfeldstärke B _C 2 des supraleitenden Materials des schaltbaren Leiterabschnitts von der Betriebstemperatur T, also B _C 2 (T) gezeigt. Diese Kurve B _C 2 (T) ist im Bereich niedriger Temperaturen eine relativ flach abfallende Funktion der Temperatur und fällt zu höheren Temperaturen hin immer steiler ab. T _c kennzeichnet dabei die Sprungtemperatur des Materials für ein gegen Null gehendes lokales Magnetfeld B _ext . Oberhalb dieser Temperatur ist kein supraleitender Zustand möglich. Gezeigt ist ein schematischer beispielhafter Verlauf für ein keramisches Supraleitermaterial, wobei die genauen Werte stark materialabhängig sind. Für Betriebspunkte P - also Wertepaare von Betriebstemperatur T _P und lokalem Magnetfeld B _P - die links unterhalb der gezeigten Kurve liegen, ist das schaltbare Leitermaterial supraleitend, für rechts oberhalb der Kurve liegende Betriebspunkte ist es dagegen normalleitend. Durch eine Verschiebung des gezeigten, zunächst supraleitenden Betriebspunktes P über die Kurve B _C 2 (T) hinaus ist somit ein Öffnen des Dauerstromschalters möglich .

Wie in Figur 4 dargestellt, kann ein solches Öffnen des Dau ^¬ erstromschalters prinzipiell auf unterschiedliche Weisen be ^¬ wirkt werden, da entweder die Temperaturabhängigkeit der sup- raleitenden Eigenschaften oder die Magnetfeldabhängigkeit oder beides gleichzeitig ausgenutzt werden kann. Der mit dem Bezugszeichen 14a gekennzeichnete Pfeil zeigt einen Wechsel des Betriebspunktes P, bei dem nur die Temperatur verändert wird. Ein solches rein thermisches Schalten in den normallei ^¬ tenden Betriebsbereich kann daher durch ein lokales Aufheizen des schaltbaren Leiterabschnitts ausgelöst werden. Im Unter ^¬ schied hierzu zeigt der mit dem Bezugszeichen 14b gekennzeichnete Pfeil einen Wechsel des Betriebspunktes P, bei dem nur das lokal wirkende Magnetfeld B _ex t verändert wird. Bei einem solchen rein magnetischen Schalten kann also beispielsweise durch Einschalten einer Magnetspule oder durch Unterbrechen einer magnetischen Abschirmung ein Zusammenbruch der Supraleitung bewirkt werden. Schließlich zeigt der mit dem Bezugszeichen 14c gekennzeichnete Pfeil ein kombiniertes thermisch-magnetisches Schalten, bei dem durch gleichzeitige Änderung von Temperatur und Magnetfeld das Material in den normalleitenden Zustand gebracht wird. Dabei kann der Anteil der Änderung dieser beiden Betriebsparameter auch unter- schiedlich gewählt werden. Wesentlich ist, dass durch ein Zusammenwirken beider Änderungen ein solcher Wechsel besonders effektiv bewirkt werden kann. Für die Schaltvarianten 14b und 14c, bei denen das Öffnen zumindest zum Teil durch die Ände ^¬ rung des Magnetfeldes B _ex t bewirkt wird, kann das Schalten allgemein prinzipiell schneller erfolgen als bei dem rein thermischen Schalten 14a. Gerade bei keramischen Hochtemperatursupraleitern, die aufgrund ihrer schlechten Leitfähigkeit nach Zusammenbruch der Supraleitung für die vorliegende Erfindung bevorzugt werden, ist ein rein thermisches Schalten durch die schlechte thermische Leitfähigkeit typischerweise langsamer als ein zumindest magnetisch unterstütztes Schal ^¬ ten .

Um ein möglichst schnelles Schalten zu ermöglichen, ist es günstig, wenn der Betriebspunkt P wie in der Figur 4 schema ^¬ tisch angedeutet, eher in der Nähe des flachen Bereichs der Kurve B _C 2 (T) liegt. Dann kann bereits eine geringe Änderung des lokalen Magnetfelds B _ex t ein Öffnen des Schalters auslö- sen, während das Risiko für ein ungewolltes Öffnen durch thermische Schwankungen gering ist.

Vorteilhaft liegt ein Abstand des Betriebspunktes P von der Kurve B _C 2 (T) in Bezug auf die Magnetfeld-Koordinate bei höch ^¬ stens ΔΒ = 100 mT, insbesondere zwischen 10 und 50 mT . Der Abstand in Bezug auf die Temperatur-Koordinate kann vorteil ^¬ haft bei wenigstens 3 K, insbesondere zwischen 10 K und 40 K liegen .

Beispielsweise kann der schaltbare Leiterabschnitt im Dauer ^¬ stromschalter des dritten Ausführungsbeispiels auf einem Ma ^¬ terial des Typs BaKBiO basieren. Dieser schaltbare Leiterab ^¬ schnitt kann dann vorteilhaft bei einem Betriebspunkt zwi- sehen 10 und 25 K und zwischen 0 und 50 mT betrieben werden. Hierdurch wird ein schnelles Schalten, welches zumindest zum Teil magnetisch ausgelöst wird, erleichtert. Bei Verwendung eines tieftemperatursupraleitenden Materials oder von Magne- siumdiborid für die Spulenwicklung 3 ist so die Betriebstem- peratur des Dauerstromschalters auch relativ nahe bei der Be ^¬ triebstemperatur der Spulenwicklung, so dass kein übermäßig hoher Temperaturgradient innerhalb des Kryostaten 11 oder über die Leiterschleife des Stromkreises 5 hinweg aufrechter ^¬ halten werden muss.

Figur 5 zeigt einen Dauerstromschalter 6 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein supralei ^¬ tender Leiter 23, der im hier nicht gezeigten weiteren Verlauf mit einer Spulenwicklung 3 zu einem geschlossenen Strom- kreis 5 verbunden ist, ähnlich wie in den Figuren 2 und 3.

Der supraleitende Leiter 23 weist einen schaltbaren Leiterab ^¬ schnitt 7 auf, welcher in diesem Beispiel innerhalb einer Ab ^¬ schirmspule 15 angeordnet ist. Diese Abschirmspule 15 dient dazu, ein vorhandenes äußeres Magnetfeld im Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts 7 abzuschirmen, wobei das Mag ^¬ netfeld ohne Abschirmung oberhalb des bei der Betriebstempe ^¬ ratur gegebenen B _C 2 (T) liegt. Bei diesem vorhandenen äußeren Magnetfeld kann es sich zumindest teilweise um das von der Spulenwicklung 3 erzeugte Feld handeln. Insbesondere kann es sich um das vergleichsweise starke Hintergrundfeld eines Mag ^¬ netresonanzgeräts handeln. Die um den schaltbaren Leiterab ^¬ schnitt angeordnete Abschirmspule 15 reduziert dieses äußere Magnetfeld in ihrem Inneren erheblich, so dass der Abschnitt 7 im Normalbetrieb von dem Magnetfeld weitgehend abgeschirmt ist. Damit kann gemäß Figur ein Betriebspunkt P unterhalb der B _C 2 (T) Kurve eingestellt werden. Die Abschirmwirkung der Spule 15 kann nun ihrerseits durch ein Umschalten der Spulenei- genschaften aufgehoben oder zumindest reduziert werden. Hierzu kann eine Verbindung innerhalb der Abschirmspule 15 geöff ^¬ net werden.

Beispielsweise kann die Abschirmspule 15 wie in Figur 5 ange- deutet eine zylindrische Spule sein. Sie kann wiederum auch ein supraleitendes Material aufweisen, insbesondere ein zy ^¬ lindrisches supraleitendes Element. Zum Öffnen des Schalters wird die Supraleitung zumindest in einem Teilbereich des Zylinders unterbrochen, wodurch die Abschirmwirkung weitgehend aufgehoben wird. Daraufhin wirkt auch im Inneren der Abschirmspule ein lokales Magnetfeld oberhalb von B _C 2 (T) , und der schaltbare Leiterabschnitt 7 wird in einen normalleiten ^¬ den Zustand versetzt, der Dauerstromschalter 6 wird also ge ^¬ öffnet. Als Abschirmspule kann beispielsweise ein Hohlzylin- der aus massivem (Bulk) Supraleitermaterial eingesetzt wer ^¬ den. Alternativ kann auch ein mit einer zylindrischen supraleitenden Schicht beschichteter Hohlzylinder verwendet werden. Geeignete supraleitende Materialien für die Abschirmspu ^¬ le 15 sind beispielsweise Magnesiumdiborid oder ein Material des Typs REBCO. Um die Abschirmung zu unterbrechen, kann ein Umfangssegment 15a des Zylinders mit einem Heizelement 17 so weit aufgeheizt werden, dass die Supraleitung in diesem Abschnitt 15a zusammenbricht. Das in Figur 5 gezeigte magnetische Schalten, bei dem eine supraleitende Abschirmspule 15 wiederum thermisch geschaltet wird, kann deutlich schneller realisiert werden, als wenn der schaltbare Leiterabschnitt direkt thermisch geschaltet würde. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass die Abschirmspule als zweiter Schalter für wesentlich geringere Spannungsfestigkeiten und/oder Stromtragfähigkeiten dimensioniert werden muss als der Dauerstromschalte 6 in dem Haupt-Stromkreis 5. Insbesondere kann der Leiterquerschnitt und/oder die Leiter ^¬ masse geringer sein. So kann die Abschirmspule so ausgelegt werden, dass auch mit rein thermischem Schalten eine schnelle Änderung ihrer supraleitenden Eigenschaften möglich ist. Das zum Schalten der Abschirmspule 15 verwendete Heizelement 15a kann alternativ zu der in Figur 5 gezeigten Anordnung auch so angeordnet sein, dass der innenliegende schaltbare Leiterab ^¬ schnitt 7 mit geheizt wird. Und/oder es kann innenliegend auch ein zusätzliches Heizelement angeordnet sein, um den Leiterabschnitt 7 separat zu heizen. Auf diese Weise kann ein kombiniertes thermisch-magnetisches Schalten gemäß Pfeil 14c der Figur 4 realisiert werden.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Dauerstromschalters nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist wiederum ein schaltbarer Leiterabschnitt 7, um den herum eine Abschirmspule 15 angeordnet ist. Im Gegensatz zum Beispiel der Figur 5 handelt es sich hier jedoch nicht um einen flächigen zylindrischen Leiter, sondern um eine Spulenwicklung mit mehreren Windungen w± aus einem supraleitenden Leitermaterial. Die Leiter der äußersten Windungen sind hierbei über einen supraleitenden Kontakt 19 zu einem geschlossenen Abschirm-Stromkreis verbunden. Ein schaltbarer Leiterabschnitt 15a dieses Abschirm-Stromkreises ist dabei wiederum thermisch mit einem Heizelement 17 gekop- pelt, über das dieser Leiterabschnitt 15a in einen normallei ^¬ tenden Zustand gebracht werden kann. Auch hier existiert also ein sekundärer thermischer Schalter, über den eine supraleitende Abschirmung ausgeschaltet werden kann, so dass ein schaltbarer Leiterabschnitt 7 des Dauerstromschalters 6 indi- rekt magnetisch in einen normalleitenden Zustand geschaltet wird. Auch hier kann das thermische Schalten der Abschirmspu ^¬ le 15 schneller erfolgen, als dies bei einem rein thermischen Schalten des Leiterabschnitts 7 möglich wäre, da der Leiter der Spule 15 nicht für die hohen Spannungsfestigkeiten und Stromtragfähigkeiten der Stromkreises 5 der Spulenwicklung 3 dimensioniert werden muss. Auch hier kann ein Schalten des schaltbaren Leiterabschnitts zusätzlich durch ein weiteres optionales und daher hier nicht gezeigtes Heizelement im Be ^¬ reich des Leiterabschnitts 7 unterstützt werden, oder das ge ^¬ zeigte Heizelement 17 kann alternativ so angeordnet werden, dass dieser Leiterabschnitt 7 mit geheizt wird. Der Leiter der Abschirmspule 15 kann beispielsweise aus ähn ^¬ lichem supraleitendem Draht gebildet sein wie die Spulenwicklung 3. Insbesondere kann auch hier ein Tieftemperatursupra- leiter oder ein auf Magnesiumdiborid basierender Leiter verwendet werden. Für solche Materialien sind auch Technologien bekannt, um den nötigen supraleitenden Kontakt 19 herzustel ^¬ len. Vorteilhaft kann die thermische Leitfähigkeit des supra ^¬ leitenden Materials der Abschirmwicklung 15 höher sein als beim supraleitenden Material des schaltbaren Leiterabschnitts 7, da hier nicht auf einen möglichst hohen elektrischen Wi- derstand im normalleitenden Zustand Rücksicht genommen werden muss. Bei Wahl eines keramischen Materials für den schaltba ^¬ ren Leiterabschnitt 7 und eines metallischen Leitermaterials für die Abschirmwicklung 15 kann also im sekundären Schaltbereich 15a auch mit thermischem Schalten eine höhere Schaltge- schwindigkeit erreicht werden, als dies mit einem rein ther ^¬ mischen Schalten des Leiterabschnitts 7 möglich wäre. Durch das magnetische unterstützte Schalten mit einem thermisch ge ^¬ schalteten sekundären Schalter 15a kann somit die Öffnungsschaltzeit des Dauerstromschalters 6 vorteilhaft verkürzt werden.

Um eine noch kürzere Öffnungszeit des Dauerstromschalters zu erreichen, kann alternativ auch die Spulenwicklung 15 mit einem schnell magnetisch schaltbaren Leitermaterial wie

BaKBiO ausgebildet werden. Dieses kann beispielsweise mit einer magnetisch daran gekoppelten Magnetspule geschaltet werden. Mit anderen Worten kann so ein schnelles Schalten über eine Kaskade von zwei supraleitenden magnetisch schaltbaren Leiterbereichen ermöglicht werden.

Bei allen Varianten, bei denen zum Schalten eine magnetische Abschirmung aufgehoben wird, ist es vorteilhaft, wenn das ab ^¬ geschirmte Volumen vergleichsweise klein ist. Insbesondere bei Magnetresonanz-Anwendungen sollte die Abschirmung klein gewählt werden, um Magnetfeldverzerrungen im abgebildeten beziehungsweise vermessenen Volumen zu vermeiden. Auch bei den anderen Varianten des magnetischen, thermischen oder thermisch-magnetischen Schaltens ist es vorteilhaft, ein mög ^¬ lichst kleines Volumen für den Dauerstromschalter zu wählen, da dann die Schaltzeiten besonders klein gehalten werden können. Vorteilhaft liegt das Volumen des Dauerstromschalters allgemein bei nicht mehr als 100 cm ³ .

Bei den Ausführungsformen, bei denen zum Schalten eine magnetische Abschirmung aufgehoben wird, ist es vorteilhaft, wenn in Serie zum schaltbaren Leiterabschnitt 7 ein in den Figuren nicht gezeigter zweiter, mit einem Heizelement thermisch schaltbarer Leiterabschnitt vorgesehen ist. Ein solcher serieller zweiter Schalter kann vorteilhaft dazu verwendet werden, die Spulenwicklung 3 mit einem Ladestrom zu beladen. Für diesen Ladevorgang sollte der zweite Schalter geöffnet wer- den, denn bei einem anfänglichen Aufladen des Spulensystems 1 ist das von der Spulenwicklung 3 erzeugte Hintergrundfeld noch nicht groß genug, um ein magnetisches Schalten durch das Aufheben einer Abschirmung zu ermöglichen. Vergleichbares gilt für eine Feldwicklung, die wie unten beschrieben mit einem Hintergrundfeld zusammenwirkt, um die B _C 2 (T) -Kurve zu überschreiten. In solchen Fällen ist ein zusätzlicher thermischer Schalter sinnvoll, um ein anfängliches Aufladen sowie eventuell auch ein vollständiges Entladen ohne das nominelle Hintergrundfeld zu ermöglichen. Hierbei ist ein vollständiges Entladen jedoch weniger kritisch, da ein im Dauerstromschalter fließender Leckstrom I ₄ im Allgemeinen während des Entladens zu einer thermischen Belastung des schaltbaren Leiterab- Schnitts 7 und somit zu einem länger andauernden Verlassen des supraleitenden Arbeitsbereichs führt.

Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Dauerstromschalters nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sind vereinfacht zwei verschiedene Varianten des Schaltens in einer Abbildung dargestellt, die entweder getrennt zum Einsatz kommen können oder optional auch miteinander kombiniert werden können.

Gezeigt ist wiederum ein schaltbarer Leiterabschnitt 7 eines Dauerstromschalters 6, der in diesem Beispiel über zwei sup ^¬ raleitende Kontakte 19 mit einem supraleitenden Leiter 23 verbunden ist, der zusammen mit einer hier nicht gezeigten Spulenwicklung 3 einen geschlossenen Stromkreis 5 bildet, ähnlich wie in dem Figuren 2 und 3. In diesem Beispiel ist also der schaltbare Leiterbereich 7 aus einem anderen supraleitenden Material gebildet als der restliche supraleitende Leiter 23. Eine solche Wahl eines anderen Materials und die Einführung von zusätzlichen supraleitenden Kontakten 19 kann optional auch in den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 zum Einsatz kommen, also für jede der beschriebenen Schalt- Varianten. Alternativ kann für die jeweiligen Varianten aber prinzipiell auch ein einheitliches supraleitendes Material für schaltbaren Leiterabschnitt 7 und den übrigen Leiter 23 sowie die Spulenwicklung 3 verwendet werden.

Im Beispiel der Figur 7 ist eine Magnetfeldwicklung 21 um den schaltbaren Leiterabschnitt 7 oder zumindest einen Teil davon angeordnet. Diese Magnetfeldwicklung 21 ist vorteilhat klein im Vergleich zur Spulenwicklung 3, sie soll jedoch ausreichen, um im Bereich des Leiterabschnitts 7 ein lokales Mag ^¬ netfeld B _ex t oberhalb des jeweiligen B _C 2 (T) zu erreichen. Sie hat vorteilhaft eine vergleichsweise geringe Induktivität, damit das Magnetfeld schnell eingeschaltet werden kann, um ein schnelles Öffnen des Dauerstromschalters 6 zu ermögli ^¬ chen. Die Magnetfeldwicklung 21 kann ein supraleitendes Lei- termaterial aufweisen, sie kann jedoch prinzipiell auch normalleitend sein.

Vorteilhaft ist der Dauerstromschalter 6 bei dieser Schaltme- thode in einem Bereich innerhalb des Kryostaten 11 angeord ^¬ net, in dem das Magnetfeld der Spulenwicklung 3 vergleichs ^¬ weise gering ist. Dies ist insbesondere für Magnetresonanz ^¬ systeme mit hohen Hintergrundmagnetfeldern wichtig, damit B _C 2 (T) nicht schon durch das Hintergrundfeld überschritten wird, sondern erst bei Einschalten der Magnetfeldwicklung 21. Das Magnetfeld dieser Magnetfeldwicklung 21 kann dann vorteilhaft mit dem Hintergrundmagnetfeld zusammenwirken, um B _C 2 (T) zu überschreiten, so dass das durch die zusätzliche Wicklung 21erzeugte Magnetfeld nicht sehr groß sein muss.

Besonders vorteilhaft kann bei der Ausführungsform der Figur 7 für den schaltbaren Leitungsabschnitt 7 ein Material mit anisotropem, also richtungsabhängigen B _C 2 (T) verwendet werden. Beispielsweise kann ein kristallines Material mit einem hohen B _C 2 (T) in kristallographischer ab-Richtung und einem niedrigen B _C 2 (T) in kristallographischer c-Richtung eingesetzt werden. Der Dauerstromschalter kann dann so ausgerichtet werden, dass das Hintergrundfeld in ab-Richtung des Mate ^¬ rials ausgerichtet ist und somit der supraleitende Bereich der Kurve gemäß Figur 4 nicht verlassen wird. Erst durch Einschalten der Magnetfeldwicklung 21 wird in c-Richtung ein ausreichend hohes Magnetfeld B _ex t erzeugt, um den supraleiten ^¬ den Bereich unterhalb der B _C 2 (T) -Kurve zu verlassen. Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des sechsten Ausführungsbeispiels kann die für das magnetische Schalten benö ^¬ tigte Magnetfeldstärke reduziert werden, indem für den schaltbaren Leiterbereich 7 eine Leitergeometrie gewählt wird, die die Ausbildung lokaler Feldüberhöhungen fördert. Beispielsweise kann ein flacher, bandförmiger Leiter verwendet werden und das Magnetfeld der Feldwicklung 21 kann im Wesentlichen senkrecht auf einen solchen Bandleiter auftreffen. Dann bewirken Abschirmströme im Leiter eine Feldüberhöhung im Bereich der Kanten. Sobald diese durch Überschreiten der B _C 2 (T) -Kurve normalleitend werden, dringt die Feldüberhöhung weiter ins Innere vor, bis der ganze schaltbare Leiterab ^¬ schnitt 7 normalleitend wird. So kann mit einem relativ ge- ringen zusätzlichen Magnetfeld der Feldwicklung 21 der Leiterabschnitt 7 effektiv und schnell geschaltet werden.

Die beschriebenen Ausführungsformen mit einem magnetischen Schalten gemäß Pfeil 14b der Figur 4 stellen in sich voll- ständige Lösungen dar, für die das in Figur 7 gezeigte optio ^¬ nale Heizelement 17 nicht benötigt wird. Ein solches Heizele ^¬ ment 17 kann jedoch zusätzlich vorhanden sein, um den Schaltvorgang zu unterstützen und/oder zu beschleunigen in der Art eines thermisch-magnetischen Schaltens gemäß Pfeil 14c der Figur 4. In Figur 7 ist das Heizelement der Übersichtlichkeit halber gegenüber der Feldwicklung 21 axial versetzt angezeigt. Es kann jedoch vorteilhaft auch auf dem gleichen Teil ^¬ abschnitt des Leiters 7 innerhalb der Feldwicklung und/oder diese umgebend angeordnet sein, so dass sich die thermischen und magnetischen Wirkungen auf die supraleitenden Eigenschaften des Leitermaterials auf einem sehr kurzen Abschnitt ge ^¬ genseitig verstärken.

Alternativ zu der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform kann die Feldwicklung 21 auch entfallen, und der schaltbare Leiterabschnitt 7 kann prinzipiell auch nur durch das Heiz ^¬ element 17 gemäß Variante 14a der Figur 4 zwischen seinem supraleitenden Zustand und seinem normalleitenden Zustand umgeschaltet werden. Im Vergleich zum rein thermischen Schalten von metallischen Supraleitern kann das thermische Schalten von keramischen supraleitenden Leiterabschnitten 7 schneller stattfinden, da für die zweckmäßig zu erreichenden Widerstände eine geringere Masse an keramischem Leitermaterial benö ^¬ tigt wird.