BR112012004242B1 - condutor de multifilamentos e método para sua produção - Google Patents
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Abstract
condutor de mul tifilamentos e método para sua produção a presente invenção refere-se a um condutor de multifilamentos (1 ), projetado com um substrato em forma de fita (2) e pelo menos uma camada supercondutora (3), onde a camada supercondutora (3) está dividida em filamentos (20, 20'). o substrato em forma de fita (2) tem uma primeira direção paralela à extensão longitudinal do mesmo, e pelo menos um filamento (20, 20') tem uma segunda direção paralela à direção longitudinal do mesmo. as direções primeira e segunda formam um ângulo não igual à zero. o condutor de multifilamentos (1) pode ser projetado particularmente tal que filamentos (20, 20') são configurados sobre a frente (9) e traseira (10) do condutor e são eletricamente conectados a cada outro tal que um condutor transposto é criado. uma invenção ainda refere-se a um método para a produção tal como um condutor de multifilamentos (1).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CONDUTOR DE MULTIFILAMENTOS E MÉTODO PARA SUA PRODUÇÃO.
[001] A presente invenção refere-se a um condutor de multifilamentos compreendendo um substrato em forma de fita e pelo menos uma camada supercondutora. Pelo menos uma camada supercondutora é formada sobre pelo menos uma superfície do substrato em forma de fita e é subdividida em filamentos. O substrato em forma de fita tem uma primeira direção paralela para sua extensão longitudinal e pelo menos um filamento tem uma segunda direção paralela para sua extensão longitudinal. A invenção, além disso, refere-se a um método para a produção tal condutor de multifilamentos.
[002] Condutores de multifilamentos compreendendo camadas supercondutoras são usados, entre outros, como condutores em dispositivos supercondutores. Eles podem ser usados, por exemplo, em enrolamentos supercondutores de tomógrafos de ressonância magnética, em motores, em geradores ou um limitador de corrente. Particularmente quando usando materiais supercondutores de alta temperatura (HTS), por exemplo, Y2BaCu3O7 (YBCO), propriedades supercondutoras dos condutores já são obtidas nas temperaturas do nitrogênio líquido. Dispositivos supercondutores confiáveis e econômicos podem ser produzidos desta maneira.
[003] Condutores industriais HTS de segunda geração (2G) tem uma película fina monocristalina HTS, particularmente feito de cerâmica YBCO, como a camada de transporte e de corrente, que é formada sobre um transportador metálico em forma de fita. A fim de aplicar a película fina monocristalino HTS para o transportador, o último é revestido com uma camada de tampão de textura multicoat no qual a camada HTS é aplicada por métodos de depósito, por exemplo, revestimento de evaporação, depósito a laser ou decomposição química.
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2/20 [004] Sobre a camada HTS, normalmente uma proteção condutora ou camada de estabilização é adicionalmente aplicada, o que pode eletricamente preencher os defeitos e as seções curtas na camada HTS que se tornam normalmente condutoras, e que protege a camada HTS a partir dos danos mecânicos. A camada normalmente condutora geralmente consiste em prata e/ou cobre. O transportador em forma de fita, sobre a qual a pilha de camadas do tampão, HTS e camadas de estabilização são aplicadas, geralmente tem a largura na faixa de milímetros ou centímetros.
[005] Em aplicações AC, um componente perpendicular do campo variante no tempo para o transportador em forma de fita é frequentemente encontrado. Na camada HTS, e a uma menor extensão na camada de estabilização também, correntes de blindagem de circulação são desse modo induzida que são sobrepostas sobre uma corrente de transporte. Estas correntes de blindagem conduzem a perdas elétricas, que são liberadas na forma de calor e tem de ser dissipada a partir dos condutores HTS por um dispositivo de refrigeração. Vantagens econômicas por poupar energia que são obtidas usando condutores HTS, em comparação com os condutores ôhmicos convencionais, são desse modo reduzido ou totalmente negado.
[006] Perdas por tamanho do Ph/L são proporcionais à amplitude do campo alternada ΔΒ, frequência f, corrente crítica IC e largura do condutor eficaz df perpendicular ao campo magnético:
Ph/L = f x ΔΒ x Ic x df [007] Nos supercondutores NbTi e Nb3Sn, as perdas são reduzidas dividindo a seção transversal em uma pluralidade de filamentos finos com um pequeno df, que são incorporados em uma matriz de metal, por exemplo, de cobre. Esta medida, entretanto, é apenas eficaz quando o condutor está torcido ou encalhado.
[008] Uma aplicação destes princípios para condutores HTS é
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3/20 fornecida por Condutores Roebel. WO 03/100875 A2 descreve um tal Condutor Roebel, que é construído a partir de uma pluralidade de transportador em forma de fitas paralela revestida HTS. Perdas em uma estrutura correspondente de um condutor HTS são determinadas pela largura da fita individual. Ainda a fim de minimizar perdas, é conhecido, por exemplo, a partir do U.S. 2007/0191202 A1 para subdividir a camada supercondutora e a camada de estabilização de cobre em filamentos por ranhuras longitudinais paralelas para a direção longitudinal do transportador em forma de fita. Métodos para formar as ranhuras longitudinais ou valas, estendendo-se tanto quanto ao transportador incluem tratamento mecânicos, gravação química, processamento a laser, técnicas fotossensíveis e ruptura local de ordenação cristalina. Um filamento sobre um transportador é desse modo subdividido em uma pluralidade de filamentos individuais, que se estende em paralela ao eixo longitudinal do transportador. A largura dos filamentos individuais sobre o transportador é tomada como a largura do condutor eficaz df, em vez da largura do transportador revestido supercondutor como um filamento.
[009] Ainda que uma redução das perdas possa ser encontrada em amostras condutoras curtas, em porções condutoras longas, por exemplo, em enrolamentos da bobina, o acoplamento magnético entre filamentos não é, entretanto, eliminado e um campo alternado externo, como ocorre, por exemplo, em bobinas, ainda induz maiores correntes de blindagem. As correntes de blindagem podem exceder a densidade da corrente crítica do material supercondutor, de modo que o supercondutor entra no estado de resistência. Significativas perdas elétricas são causadas, que deve por sua vez ser dissipada na forma de calor. [0010] É, portanto um objetivo da presente invenção para fornecer um condutor de multifilamentos que apresenta uma maior redução das perdas elétricas em comparação com o condutor de multifilamentos
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4/20 conhecido a partir da técnica anterior. Particularmente, é um objetivo de um condutor de multifilamentos de acordo com a invenção para minimizar a indução de correntes no condutor de multifilamentos em campos alternados externos. É ainda um objetivo de a presente invenção fornecer um método para a produção um condutor de multifilamentos, que apresenta o mínimo de perdas elétricas com a indução minimizada de correntes no condutor de multifilamentos em campos alternados externos. O objetivo especificado é obtido em relação ao condutor de multifilamentos pelas características da invenção, e em relação à ao método para a produção do condutor de multifilamentos também pelas características da invenção.
[0011] Configurações vantajosas do condutor de multifilamentos de acordo com a invenção e do método para a produção do condutor de multifilamentos podem ser encontradas nas concretizações associadas respectivamente. As características das concretizações podem ser combinadas com as características de uma outra concretização respectivamente, ou preferivelmente com características de uma pluralidade de concretizações associadas.
[0012] O condutor de multifilamentos de acordo com a invenção compreende um substrato em forma de fita e pelo menos uma camada supercondutora. Pelo menos uma camada supercondutora é formada sobre pelo menos uma superfície do substrato em forma de fita e é subdividida em filamentos. O substrato em forma de fita tem uma primeira direção paralela a sua extensão longitudinal e pelo menos um filamento tem uma segunda direção paralela a sua extensão longitudinal. A primeira direção do substrato em forma de fita faz um ângulo que é maior que zero com a segunda direção de pelo menos um filamento.
[0013] Desta maneira, é possível efetivamente reduzir as perdas em aplicação de campo alternado e as influências das falhas locais
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5/20 nos condutores supercondutores industriais, onde usando o condutor de multifilamentos, por exemplo, em bobinas em que os condutores são enrolados um sobre o outro. Particularmente em bobinas enroladas bifilares, uma redução das perdas significativas é obtida. As perdas Ph devido a uma amplitude de campo alternado ΔΒ perpendicular ao condutor de multifilamentos não dependem sobre a largura do condutor, mas sobre a largura dos filamentos individuais. O nível de perdas de histereses é reduzido pelo fator df/b. Em aplicações magnéticas, por exemplo, em tomografia de spin nuclear, em espectrômetros de ressonância magnético nuclear e em aceleradores, em que um campo de alta precisão é requerido, os defeitos do campo produzidos no volume do trabalho pelas correntes de blindagem menores, que são localizadas à largura do filamento, são significativamente reduzidas. [0014] Um ângulo entre 30 e 60 graus, particularmente 45 graus, entre a primeira direção do substrato em forma de fita e a segunda direção de pelo menos um filamento é particularmente vantajoso. Pelo menos um filamento pode ser formado totalmente ao longo da segunda direção, particularmente sem um tamanho do componente paralelo para a primeira direção. O tamanho dos componentes ao longo da primeira direção aumenta as perdas em aplicações tais como, por exemplo, bobinas enroladas bifilares.
[0015] O substrato em forma de fita pode ter uma primeira superfície sobre um lado da frente e em segunda superfície oposta sobre um lado traseiro, uma pluralidade de filamentos sendo formada sobre ambas a primeira e a segunda superfície. Os filamentos da primeira superfície podem ter uma segunda direção que não é igual a uma terceira direção paralela para a direção longitudinal dos filamentos da segunda superfície. Um efeito da redução de perda similar à redução em bobinas enroladas bifilares é desse modo obtido no condutor.
[0016] Baixa perda na corrente de condução é neste caso obtido
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6/20 particularmente com uma versão transposta do condutor. Para este fim, pelo menos um filamento do lado da frente pode ser condutivamente conectado eletricamente a pelo menos um filamento do lado traseiro, particularmente através de pelo menos uma camada que é formada sobre pelo menos uma terceira superfície sobre uma ou duas faces laterais do substrato em forma de fita. Um tamanho da transposição pode encontrar-se na região de 20 cm.
[0017] Preenchimento de defeitos na camada supercondutora pode ser executado particularmente eficaz, e as perdas desse modo ainda mais reduzidas, se pelo menos uma ponte elétrica é formada entre pelo menos dois filamentos vizinhos sobre uma superfície. Uma conexão elétrica ou conexões elétricas de pelo menos dois filamentos vizinhos são formadas pela ponte ou pontes. Pelo menos uma ponte elétrica pode ser disposta centralmente sobre uma superfície, particularmente com uma direção longitudinal da ponte paralela para uma primeira direção do substrato em forma de fita. Um filamento defeituoso com a capacidade de transporte e de corrente local reduzida é superada eletricamente pela ponte e o filamento vizinho.
[0018] O condutor de multifilamentos pode compreender uma pilha de camadas consistindo em material transportador em forma de fita, pelo menos uma camada de tampão, pelo menos uma camada supercondutora, particularmente uma camada supercondutora (HTS) de alta temperatura, e/ou pelo menos uma camada de estabilização. A camada de tampão faz uma camada supercondutora monocristalina epitaxialmente desenvolvida sobre o material transportador possível. Uma camada HTS faz ser possível para usar o condutor de multifilamentos com as propriedades supercondutoras mesmo em temperaturas na região do nitrogênio líquido. A camada de estabilização protege a camada supercondutora dos danos mecânicos e posições locais de preenchimento elétrico na camada supercondutora com a capacidade de
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7/20 transporte e de corrente reduzida, isto é, estabiliza e protege mecanicamente e eletricamente.
[0019] O material transportador pode consiste em um metal, particularmente aço. Pelo menos uma camada de tampão pode compreender pelo menos um material a partir do grupo: Al, ítria, IBAD MgO, homo-epi MgO, LMO, ou combinações e/ou ligas ou pilhas de camadas destes materiais. Pelo menos uma camada supercondutora pode consistir de YBCO. Pelo menos uma ponte pode igualmente consistir de YBCO, particularmente o YBCO de pelo menos uma camada HTS. Isso permite que condução elétrica sem perdas através da ponte. Pelo menos uma camada de estabilização pode consistir de cobre ou prata ou compreende uma pilha de camadas com pelo menos uma camada de cobre e/ou pelo menos uma de prata. Pelo menos uma ponte pode também consiste em ou compreende o material de pelo menos uma camada de estabilização, o que permite a produção simples da ponte.
[0020] O material transportador pode ter uma espessura na faixa de 50 a 100 pm e uma largura na região de 10 mm. Pelo menos uma camada de tampão pode ter uma espessura na região de 100 nm. Pelo menos uma camada supercondutora pode ter uma espessura na região de 1 pm, e pelo menos um filamento pode ter uma largura na região de 0,5 mm. Pelo menos uma camada de estabilização pode ter uma espessura na faixa de a partir de 3 pm a 300 pm. Estas são dimensões favoráveis para uma multiplicidade de aplicações de um condutor de multifilamentos.
[0021] Um método de acordo com a invenção para a produção do condutor de multifilamentos descrito acima compreende as etapas:
- dois materiais transportadores em forma de fita são trazidos para a conexão mecânica com um outro através de lados opostos e
- pelo menos uma camada supercondutora é respectiva
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8/20 mente aplicada sobre um lado de um material transportador em forma de fita que se encontra oposto ao lado da conexão mecânica, e
- uma camada de estabilização é aplicada para a camada supercondutora,
- a camada de estabilização de um primeiro material transportador em forma de fita sendo formada pela sobreposição com a camada de estabilização de um segundo material transportador em forma de fita nas bordas dos dois materiais transportadores em forma de fita de modo que uma conexão elétrica das camadas de estabilização é estabelecida através das bordas, e
- as camadas supercondutoras e as camadas de estabilização sendo subdivididas em filamentos.
[0022] Os dois materiais transportadores em forma de fita podem ser conduzido congruentemente na conexão com uma outra. Este método permite a produção simples e econômica do condutor de multifilamentos em poucas etapas.
[0023] A aplicação de camadas pode ser executada através de eletrólise, de solda, revestimento de evaporação, borrifação e/ou decomposição termal dos metais compostos na fase de vapor. A subdivisão da camada supercondutora e a subdivisão da camada de estabilização em filamentos podem ser executadas mecanicamente ou por laser e/ou gravação, particularmente gravações químicas secas ou úmidas, das valas passam totalmente respectivamente através da camada. Fotolitografia pode particularmente ser usada no método de gravação. Alternativamente, a aplicação das camadas pode ser executada por impressão ou colagem adesiva do substrato da fita até agora não revestido na posição das valas. Durante o depósito subsequente das camadas supercondutoras e de estabilização, nenhuma aplicação do material ocorre aqui de modo que a estrutura do filamento desejada é formada.
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9/20 [0024] Valas podem ser formadas com um ângulo não zero entre a primeira direção do substrato em forma de fita e a segunda direção de pelo menos um filamento. Os filamentos sobre os dois materiais transportadores em forma de fita podem ser eletricamente conectados através de suas bordas a fim de formar caminhos de corrente em forma de espiral.
[0025] Os dois materiais transportadores em forma de fita do substrato de dupla camada pode ser separado a partir de um outro através de uma intercamada isolante resistente ao calor ou uma abertura de ar. Isso pode, particularmente, ser executada por solda de dois materiais transportadores em forma de fita, dobrando uma fita transportadora em forma de fita em duas fitas deitadas acima de um do outro, ou por laminagem de um tubo liso, particularmente antes de uma etapa de laminagem de texturização dos materiais transportadores em forma de fita.
[0026] Para o método de acordo com a invenção para a produção do condutor de multifilamentos, as vantagens associadas acima mencionadas com o condutor de multifilamentos de acordo com a invenção são obtidas.
[0027] Modalidades preferidas da invenção, com vantajosos refinamentos de acordo com as características das concretizações, serão explicadas em maiores detalhes abaixo com o auxílio das figuras que seguem, mas sem serem restritas a estes.
[0028] Figura 1 mostra um condutor de multifilamentos em uma visão oblíqua com filamentos paralela ao eixo do substrato, de acordo com a técnica anterior, e [0029] Figura 2 mostra a camada estrutura de um filamento de um condutor de multifilamentos de acordo com a técnica anterior, e [0030] Figura 3 mostra um condutor de multifilamentos de acordo com a invenção compreendendo filamentos que, obliquamente em um
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10/20 lado da frente e traseiro de um substrato, são formados estendendo-se em espiral em torno de sua circunferência, e [0031] Figura 4 mostra um condutor de multifilamentos similar a um mostrado na figura 3, pontes sendo formadas entre filamentos vizinhos, e [0032] Figura 5 mostra uma visão plana do condutor de multifilamentos mostrado na figura 3, compreendendo filamentos sobre o lado da frente (delimitados por linhas contínuas) e lado traseiro (linhas tracejadas), e [0033] Figura 6a mostra uma visão do corte do condutor de multifilamentos mostrado na figura 3, compreendendo dois transportadores colocados em conexão direta, e [0034] Figura 6b mostra uma visão do corte do condutor de multifilamentos mostrado na figura 3, compreendendo um tubo comprimido como o substrato, e [0035] Figura 6c mostra uma visão do corte do condutor de multifilamentos mostrado na figura 3, que consiste em uma parte dobrada junto como o substrato com um cordão de solda sobre o lado aberto.
[0036] Figura 1 mostra uma seção perpendicular ao eixo longitudinal de um condutor de multifilamentos 1, em uma visão oblíqua a partir da frente para o condutor de multifilamentos 1, de acordo com a técnica anterior. O condutor de multifilamentos 1 compreende um substrato em forma de fita 2 tendo um lado da frente 9 e um lado traseiro 10. Uma primeira direção 21 do substrato em forma de fita 2 é definido como a direção longitudinal do substrato em forma de fita 2. Paralela à primeira direção 21, forma de tira, tiras mutuamente paralelas à camada de tampão 4 são aplicadas sobre o lado da frente 21 do substrato em forma de fita 2. As tiras da camada de tampão 4 são separadas a partir um do outro, e tem uma segunda direção 22 que corresponde à direção longitudinal das tiras da camada de tampão 4. Uma camada
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11/20 supercondutora 3, por exemplo do material YBCO, é formada sobre as tiras da camada de tampão 4. Uma camada prata fina (camada Ag) 5a e uma camada de cobre (camada Cu) 5b são formadas como um suporte ou camada de estabilização 5 sobre a camada supercondutora 3. Entre as pilhas de camadas ou filamentos 20, consistindo respectivamente da camada de tampão 4, a camada supercondutora 3 e a camada de estabilização 5, através de valas 6 são formadas para separação dos filamentos 20.
[0037] Sob a ação de uma variante no tempo externo do campo magnético (B) 8 sobre o condutor de multifilamentos 1, correntes I são induzidas na camada de estabilização 5 e/ou a camada supercondutora 3. Estas correntes I induzida no fluxo em uma metade do número de filamentos 20 com uma direção da corrente 7 e na outra metade do número de filamentos 20 com uma direção oposta à direção da corrente 7'. Os caminhos correntes estão fechados nas extremidades do condutor. As correntes I geralmente excedem a corrente crítica dos filamentos 20 e conduzem o supercondutor no estado de resistência, de modo que consideráveis perdas ôhmicas ocorram. Em um condutor sem torção de acordo com Figura 1, estas aumentam linearmente com a largura total da fita b, e a subdivisão dos filamentos 20 da largura df exerce nenhum efeito.
[0038] Figura 2 reapresenta a camada estrutura de um filamento de acordo com a técnica anterior em detalhe. Uma camada fina de alumínio (Al) 11 é aplicada como tiras sobre o lado da frente 9 do substrato 2, uma visão oblíqua de uma representação do corte ao longo da tira sendo mostrado na figura 2. Na Al a camada 11 é uma camada de ítria 12. Uma camada de IBAD óxido de magnésio (MgO) 13 e uma camada epitaxial homo-epi MgO 14 são depositadas no mesmo. Uma camada epitaxial LMO 15 é formada sobre a camada epitaxial homo-epi MgO 14. Estas camadas 11 a 15 juntas formam a cama
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12/20 da de tampão 4 e tem um efeito isolante elétrico em relação a o substrato 2. Eles são usados como uma subcamada monocristalina ordenada e conduz a um crescimento da camada monocristalina supercondutora 3, por exemplo do YBCO, sobre o substrato 2 sobre a camada de tampão 3.
[0039] Uma camada de prata (Ag) 5a e uma camada de cobre (Cu) 5b são formadas sobre a camada supercondutora 3. Estas duas camadas formam a camada dos danos mecânicos e preencher eletricamente os defeitos no material supercondutor monocristalino.
[0040] Uma camada Cu ainda pode ser formada como uma segunda camada de estabilização 5' sobre o lado traseiro 10 do substrato 2.
[0041] O substrato 2 do condutor de multifilamentos 1 nas figuras e 2 consiste em Hastelloy ou de aço, é 50 pm de espessura e tem uma largura de 10 mm. O filamento 20 representado na figura 2 compreende uma camada de tampão 3 tendo uma espessura de 100 nm, e tem uma largura de 0,5 mm. A camada supercondutora 3 é de 1 pm de espessura e a camada de estabilização 5 sobre o lado da frente 9 do substrato 2 é formada de 23 pm de espessura, com uma camada Cu de 20 pm de espessura. A camada de estabilização de cobre 5' sobre o lado traseiro 10 do substrato 2 é de 20 pm de espessura.
[0042] Figura 3 reapresenta um condutor de multifilamentos 1 de acordo com a invenção em uma visão oblíqua a partir de acima. O substrato 2 do condutor de multifilamentos 1 consiste em Hastelloy ou de aço, é de 50 pm de espessura e tem uma largura de 10 mm. Os filamentos 20, 20' esta modalidade exemplar está disposta sobre o substrato 2 com uma segunda direção 22, que constitui a direção longitudinal dos filamentos 20, que faz um ângulo não zero com o primeiro, a direção longitudinal 21 do substrato 2. Os filamentos supercondutores 20, 20' estão respectivamente dispostos sobre uma superfície de
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13/20 um primeiro transportador 16 e o segundo transportador 17. Os dois transportadores 16 e 17 estão ambos em conexão mecânica com um outro através dos seus lados traseiros, que encontrar-se oposto à superfície compreendendo filamentos 20, 20', mas são essencialmente eletricamente separados por uma intercamada 29, os lados traseiros tocantes sendo referidos a abaixo como o lado da conexão mecânica 18. Os dois transportadores 16 e 17 e a intercamada 29 juntas formam o substrato em forma de fita 2 do condutor de multifilamentos 1 de acordo com a invenção.
[0043] Sobre uma superfície do substrato 2, valas 6 são respectivamente formadas passando totalmente entre através os filamentos 20, 20' de modo que a camada supercondutora 3 de dois filamentos vizinhos 20, 20' são respectivamente separados eletricamente a partir de um do outro. Os filamentos 20 sobre o primeiro transportador 16 estão respectivamente dispostos de modo que ele se encontra congruentemente acima de uma outra na borda 19 do transportador 16 com os filamentos 20' do segundo transportador 17 na borda 19 do transportador 16, 17. Durante o depósito ou formação da camada de estabilização 5 sobre os transportadores 16 e 17, o material da camada de estabilização 5 é codepositado na borda 19. Desta maneira, os filamentos 20 do transportador 16 são eletricamente conectados aos filamentos 20' do transportador 17 através deste material. Durante a formação das valas 6, estas são igualmente formadas passando totalmente através do material da camada de estabilização 5 na borda 19, de modo que filamentos 20 e 20' deitadas acima de um outro são eletricamente conectados a um outro apenas na borda 19.
[0044] A camada de substrato de espessuras e larguras 2 e a largura dos filamentos 20, 20' são os mesmos como a de espessura nesses e larguras descritas acima para o condutor de multifilamentos 1 das figuras 1 e 2.
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14/20 [0045] O ângulo dos filamentos 20 sobre o lado da frente 9 tem o valor oposto para o ângulo dos filamentos 20' sobre o lado traseiro 10. O valor do ângulo encontra-se na faixa de a partir de 1 a 5 graus e a partir de -1 a -5 graus, respectivamente. Filamentos supercondutores 20, 20' com um tamanho limitado b, que as extremidades nas bordas 19 do substrato em forma de fita 2, são formadas sobre a frente e os lados traseiros 9, 10. Uma camada de estabilização 5, 5' do material condutor normalmente, por exemplo, cobre, que é na conexão elétrica com a camada supercondutora 3 dos filamentos 20, 20' e pode preencher a corrente defeituosa, em uma posição condutora normal do supercondutor, é aplicada para os filamentos supercondutores 20, 20'. Na borda 19 do substrato em forma de fita 2, a camada de estabilização 5, 5' é formada de modo que os filamentos 20, 20' da frente e dos lados traseiros 9, 10 são eletricamente conectados através de uma camada condutora normal.
[0046] Desta maneira, um ou mais caminhos da corrente paralela de forma de espiral, que são supercondutores exceto para curtas regiões condutoras normalmente na borda 19 do substrato em forma de fita 2, são formada em torno do substrato em forma de fita 2. De acordo com a invenção, portanto, um supercondutor de película fina é produzido tendo uma torção conhecida a partir de tecnologias supercondutoras convencionais na forma dos filamentos supercondutores torcidos em paralelo, que apresentam poucas perdas nas aplicações de campo alternado.
[0047] Figura 4 reapresenta uma modalidade exemplar alternativa do condutor de multifilamentos 1 de acordo com a invenção. Este condutor de multifilamentos 1 é similar ao condutor de multifilamentos 1 representado na figura 3, exceto para a formação adicional de pontes 23 entre os filamentos vizinhos 20, 20'. Em termos da estrutura da camada, as pontes 23 são construídas similarmente como nos filamentos
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20, 20' das figuras 1 a 3, ou ele consiste apenas da camada de estabilização 5 ou da camada de estabilização 5 e da camada supercondutora 3. Elas são formadas condutivamente elétricas e pode preencher defeitos na camada supercondutora 3 de um filamento 20, 20' através da camada supercondutora 3 do filamento vizinho 20, 20'. Na figura 4, as pontes 23 estão dispostas centralmente como uma rede sobre a superfície do substrato 2 ao longo de sua primeira direção 21. Como uma alternativa, entretanto, as pontes 23 podem também estar dispostas em ou fechadas para a borda 19. Elas podem também ser dispostas não como uma rede contínua, mas alternada ou irregularmente sobre a superfície entre respectivamente dois filamentos vizinhos 20, 20'. Na modalidade exemplar que é representada na figura 4, a largura de umas das pontes 23 está na região de 1/20 do tamanho b de um filamento 20 ou 20' sobre um lado do substrato 2. Dependendo do material da capacidade do transporte e de corrente requerido, a largura das pontes 23 pode também ter valores diferentes.
[0048] No condutor de multifilamentos 1, a probabilidade que um ponto local frágil em um filamento 20 ou 20' irá reduzir a capacidade do transporte e de corrente e aumentar com tamanho crescente e largura decrescente. Em enrolamentos tendo um tamanho do condutor de multifilamentos 1 longo, a capacidade do transporte e de corrente de todo condutor de multifilamentos 1 com filamentos isolado mutuamente 20 e 20' pode assim ser comprometido grandemente. A disposição das pontes 23 entre os filamentos 20 e 20', de redistribuição da corrente a partir de danos d do filamento 20 ou 20' em filamentos vizinhos 20 ou 20' pode assumir o lugar. Contanto que a distância média entre pontos frágeis ao longo dos filamentos 20 ou 20' seja significativamente maior que o tamanho da transposição L, a corrente total encontrará os caminhos da corrente bastante intacta e a corrente total crítica é apenas reduzida ligeiramente mesmo em longos condutores
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16/20 de multifilamentos 1.
[0049] Figura 5 mostra uma visão plana de um condutor de multifilamentos 1 correspondente à modalidade representado na figura 3. Pode ser visto que a segunda direção 22 dos filamentos 20 sobre o primeiro transportador 16 (linhas sólidas como delimitação na largura dos filamentos 20 na figura 5) está disposta em um ângulo para a terceira direção 26 da extensão longitudinal dos filamentos 20' sobre o segundo transportador 17 (linhas tracejadas como delimitação na largura dos filamentos 20' na figura 5). Os filamentos 20 e 20' sobre os transportadores 16 e 17, portanto formam um ângulo. O ângulo encontra-se na faixa de uns poucos graus. Apesar disso, outros ângulos podem também ser considerados, como representado, por exemplo, na figura 5.
[0050] Através da conexão elétrica na borda 19, os filamentos 20,
20' sobre os transportadores primeiro 16 e segundo 17 formam uma torção ou transposta o condutor de multifilamentos 1. Os filamentos 20, 20' executados em torno o condutor na forma de uma espiral. Para as perdas Ph devido a uma amplitude de campo alternado ΔΒ perpendicular ao condutor de multifilamentos 1, não é mais a largura do condutor b como no caso de um condutor sem filamentos 20, 20', mas de preferência a largura df dos filamentos individuais 20, 20' que é crucial. O nível de perdas de histereses é reduzido pelo fator df/b. Devido à transposição dos filamentos 20, 20', as perdas devido às correntes de blindagem que são induzidas entre os filamentos 20, 20' também são menores que ou igual à zero, se a camada de tampão 4 é isolada suficientemente a partir dos transportadores 16, 17. Fluxo magnético através da superfície entre dois filamentos 20 ou 20' paralelos arbitrário respectivamente acrescenta-se a zero que seguem uma revolução após um tamanho da transposição L. As voltagens induzidas entre eles, e, portanto, a perda de geração de correntes de turbilhão, são
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17/20 portanto reduzidas eficazmente independente do tamanho total do condutor de multifilamentos 1.
[0051] Na figura 5, como uma linha ponto e traço, uma área A é indicada a título de exemplo que é delimitada por dois filamentos 20 arbitrários sobre o lado da frente 9 ou 20' sobre o lado traseiro 10. Com um campo componente B perpendicular à área A, um fluxo magnético BxA passa através da área A. Uma voltagem induzida U = A dB/dt é aplicada através de cada dos dois pontos de interseção 27, 28 dos filamentos 20, 20' do lado da frente 9 e lado traseiro 10 do substrato 2. É o maior no meio do condutor e zero na borda 19. Uma camada eletricamente isolante 29 de acordo com a invenção entre os transportadores primeiro e segundo 16 e 17 impede correntes induzidas perpendicularmente através do substrato fino 2 entre os filamentos 20 e 20'. Estas correntes seriam sobrepostas sobre a corrente de transporte nos filamentos 20, 20' e conduzem os filamentos 20, 20' na resistência, faixa de perdas, e adicionalmente, gera perdas ôhmicas no substrato
2. Com a camada eletricamente isolante 29, ou intercamada, entre o primeiro transportador 16 e o segundo transportador 17, o acoplamento magnético através do substrato 2 é prevenido.
[0052] Em aplicações magnéticas em que um campo de alta precisão é requerido, como é o caso, por exemplo, na tomografia de spin nuclear, aceleradores e espectrômetros nucleares de ressonância magnética, os defeitos do campo desse modo produzido no volume do trabalho são reduzidos significativamente devido às correntes de blindagem menores que estão localizadas para a largura do filamento. O condutor de multifilamentos 1 de acordo com a invenção pode, portanto, também ser usado em aplicações de corrente direta críticas.
[0053] No caso de contatos elétricos condutores normalmente entre os filamentos 20 e 20' através das bordas 19, existe uma resistência ôhmica Rn que é aproximadamente igual a
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Rn = Pn Π (dn + ds) / (dn Ln), [0054] Onde pn é a resistividade elétrica, dn, ds são a de espessura da camada de metal normal e dos transportadores 16, 17, Ln = df L / 2 b é o tamanho de uma ponte 23 na primeira direção 21 e df é a largura do filamento. Duas pontes 23 por tamanho do filamento L combinam em cada filamento 20, 20' para uma resistência média por unidade de tamanho <Rn> / l = Pn π (dn + ds) 2 b / (dn df L2).
[0055] Com um maior tamanho da transposição L, esta resistência pode tornar-se muito pequena. Por exemplo, para um condutor de multifilamentos 1 com largura de b = 10 mm, 0,3 mm total de espessura, Ic = 300 A, 15 filamentos 20, 20' da largura df = 0,5 mm, uma densidade da corrente crítica eficaz no condutor de multifilamentos 1 de je = 100 A/mm2, uma transposição ou tamanho do filamento de L = 20 cm, Pn = 2x10-9 Qm no cobre em 77 K, e uma espessura da camada de cobre 5 e o substrato 2 de dn = ds = 0,1 mm, a resistência ôhmica média de um filamento 20, 20' através de uma ponte de cobre 23 é dado por <Rn> / l = 12,5 pOhm/m .
[0056] Com I = IC/15 = 20 A no filamento 20, 20', a queda da voltagem é 250 pV/m ou 2,5 pV/cm. Isto é na região 1 pV/cm da queda de voltagem com que a corrente crítica é convencionalmente definida em supercondutores industriais.
[0057] Adicional às perdas aumentam com o quadrado da corrente. No IC = 300 A, estas são 75 mW por metro do condutor de multifilamentos 1 ou 250 mW por metros de kiloampere. Comparado com soluções convencionais, um condutor de multifilamentos 1 de acordo com a invenção compreendendo material HTS portanto fornece uma poupança de energia de 90% comparado com condutores ôhmicos consistindo de cobre. Perdas de magnetização Ph no material supercondutor podem ser reduzidas por pequenas larguras dos filamentos
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19/20 df, como já descrito. Aplicações AC em 50/60 hertz pode, portanto, ser executada economicamente viável com o condutor de multifilamentos 1 de acordo com a invenção em cabos supercondutores, transformadores supercondutores, máquinas elétricas compreendendo supercondutores e outras aplicações.
[0058] Adicionado a isto, de um a dois pedidos de densidade da corrente de magnitude mais alta que são possíveis, são também uma vantagem sobre condutores de cobre convencionais.
[0059] Figuras 6a a 6c mostra representações do corte do condutor de multifilamentos 1 representado na figura 5 com diferentes modalidades da conexão 18 dos transportadores primeiro e segundo 16 e 17 através de pelo menos uma intercamada 29. Os filamentos 20, 20' são construídos similarmente aos filamentos 20, 20' descritos acima a partir de uma pilha de camadas: a camada de tampão 4, a camada supercondutora 3 e a camada de estabilização 5. Valas 6 são respectivamente formadas entre filamentos vizinhos 20, 20'. Filamentos 20, 20' sobre o lado da frente 9 e o lado traseiro 10 do substrato 2 são eletricamente conectados a um outro através da camada de estabilização 5 através da borda 19.
[0060] Na figura 6a, o primeiro transportador 16 e o segundo transportador 17 são respectivamente conectados para um outro em uma maneira isolante eletricamente sobre a superfície através de seu lado traseiro. A conexão pode, por exemplo, ser executada por colagem adesiva dos lados traseiros em um do outro. Uma camada termicamente isolante pode adicionalmente ser disposta entre os transportadores 16 e 17.
[0061] Na figura 6b, os transportadores 16 e 17 são formados por compressão de um tubo 24 do material substrato 2. Uma abertura de ar isolante fina, que pode também ser usada para resfriamento, pode permanecer no interior do tubo. Por exemplo, nitrogênio líquido pode
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20/20 ser passado através deste intervalo e adicionalmente resfriar o condutor de multifilamentos 1 a partir do interior.
[0062] Na figura 6c, os transportadores primeiro e segundo 16 e são formados por dobragem juntas com uma variedade de transportadores, com uma largura da variedade de transportadores iguais a 2 tempos da largura de um transportador 16, 17, a linha de dobragem estendendo-se no meio de variedades de transportadores ao longo de seu eixo longitudinal. A linha de dobragem forma uma borda 19 do substrato 2, e uma solda ou esfera adesiva 25 pode conectar os transportadores primeiro e segundo 16 e 17 para um outro em uma maneira estável mecanicamente ao longo da borda oposta 19 do substrato 2. Quando a camada de estabilização 5 é depositada e as valas 6 são formadas, os filamentos 20 dos transportadores primeiro e segundo 16 e 17 são respectivamente conectados através das bordas 19, em cujo caso, quando as valas 6 também são formadas na borda 19, filamentos vizinhos 20 de um transportador 16 ou 17 são separados eletricamente respectivamente a partir de um outro na borda 19. Uma combinação das modalidades exemplares nas figuras 6a a 6c com a modalidade exemplar da figura 4 fornece a conexão elétrica dos filamentos 20 sobre um transportador 16 ou 17 através das pontes 23.
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Claims (15)
1. Condutor de multifilamentos (1) compreendendo um substrato em forma de fita (2) e pelo menos uma camada supercondutora (3), onde em pelo menos uma camada supercondutora (3) é formado sobre pelo menos uma superfície do substrato em forma de fita (2) e é subdividido em filamentos (20, 20'), e onde no substrato em forma de fita (2) tem uma primeira direção (21) paralela a sua extensão longitudinal e pelo menos um filamento (20, 20') tem uma segunda direção (22) paralela a sua extensão longitudinal, sendo que a primeira direção (21) do substrato em forma de fita (2) faz um ângulo que é maior que zero com a segunda direção (22) de pelo menos um filamento (20, 20'), caracterizado pelo fato de que o ângulo entre a primeira direção (21) do substrato em forma de fita (2) e a segunda direção (22) de pelo menos um filamento (20, 20') encontra-se entre 1 e 5 graus.
2/5 dicação 3, caracterizado pelo fato de que pelo menos um filamento (20) do lado da frente (9) é conectado eletricamente condutivo a pelo menos um filamento (20') do lado traseiro (10), particularmente através de pelo menos uma camada (19) que é formada sobre pelo menos uma terceira superfície sobre um ou dois faces laterais do substrato em forma de fita (2).
2. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um filamento (20, 20') que é formada totalmente ao longo da segunda direção (22), particularmente sem um tamanho do componente paralelo à primeira direção (21).
3/5
LMO (15), ou combinações e/ou pilhas de camadas destes materiais, e/ou pelo menos uma camada supercondutora (3) consiste em YBCO, e/ou pelo menos um ponte (23) consiste em YBCO, particularmente o YBCO de pelo menos um camada HTS, e/ou pelo menos uma camada de estabilização (5) consiste em cobre ou prata ou compreende uma pilha de camadas com pelo menos um cobre (5b)e/ou pelo menos uma camada de prata (5a), e/ou de pelo menos um ponte (23) consiste em ou compreende o material de pelo menos uma camada de estabilização (5).
3. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o substrato em forma de fita (2) tem uma primeira superfície sobre um lado da frente (9) e uma segunda superfície oposta sobre um lado traseiro (10), e uma pluralidade de filamentos (20, 20') que são formados sobre ambas as superfícies primeira e segunda, os filamentos (20) da primeira superfície tendo particularmente uma segunda direção (22) que não é igual a uma terceira direção (23) paralela à direção longitudinal dos filamentos (20') da segunda superfície.
4/5 uma camada de estabilização (5) sendo aplicada para o camada supercondutora (3), a camada de estabilização (5) de um primeiro material transportador em forma de fita (16) sendo formada em sobreposição com a camada de estabilização (5') de um segundo material transportador em forma de fita (17) nas bordas (19) dos dois materiais transportadores em forma de fita (16, 17) de modo que uma conexão elétrica da camada de estabilização (5, 5') é estabelecida através das bordas (19), e as camadas supercondutoras (3) e as camadas de estabilização (5, 5') sendo subdivididas em filamentos (20, 20').
4. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com a reivin-
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5. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que entre pelo menos dois filamentos vizinhos (20, 20') sobre uma superfície, de pelo menos uma ponte elétrica (23) é formada através da qual uma conexão elétrica de pelo menos dois filamentos vizinhos (20, 20') é formada.
6. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma ponte elétrica (23) está disposta centralmente sobre uma superfície, particularmente com uma direção longitudinal da ponte (23) paralela a uma primeira direção (21) do substrato em forma de fita (2).
7. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o condutor de multifilamentos (1) compreende uma pilha de camadas consistindo em material transportador em forma de fita (16, 17), de pelo menos uma camada de tampão (4), de pelo menos uma camada supercondutora (3), particularmente uma camada supercondutora (HTS) de alta temperatura, e/ou de pelo menos uma camada de estabilização (5).
8. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o material transportador (16, 17) consiste em um metal, particularmente aço, e/ou de pelo menos uma camada de tampão (4) compreende pelo menos um material a partir do grupo: Al (11), ítria (12), IBAD MgO (30), homo-epi MgO (14),
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9. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o material transportador (16, 17) tem uma espessura na faixa de partir de 50 a 100 pm e uma largura na região de 10 mm, e/ou pelo menos uma camada de tampão (4) tem uma espessura na região de 100 nm, e/ou pelo menos uma camada supercondutora (3) tem um espessura na região de 1 pm, e/ou pelo menos um filamento (20, 20') tem uma largura na região de 0,5 mm, e/ou pelo menos uma camada de estabilização (5) tem uma espessura na região de 3 pm.
10. Condutor de multifilamentos (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os filamentos (20, 20') são transpostos, particularmente com um tamanho da transposição na região de 20 cm.
11. Método para a produção de um condutor de multifilamentos (1) como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que dois materiais transportadores em forma de fita (16, 17) são trazidos para a conexão mecânica com um outro através de lados oposto, particularmente congruente, com pelo menos uma camada supercondutora (3) respectivamente sendo aplicada sobre um lado de um material transportador em forma de fita (16, 17) que se encontra oposto ao lado da conexão mecânica (18) e
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12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a aplicação das camadas é executada por eletrólise, de solda, revestimento de evaporação, borrifação e/ou decomposição termal de metais compostos na fase de vapor, e/ou a subdivisão das camadas supercondutoras (3) e a subdivisão da camada de estabilização (5, 5') em filamentos (20, 20') é executada por laser e/ou gravação, particularmente a gravação química, de valas (6) respectivamente passando totalmente através de uma camada.
13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado em que as valas (6) são formadas com um ângulo não zero entre a primeira direção (21) do substrato em forma de fita (2) e a segunda direção (22) de pelo menos um filamento (20, 20'), e os filamentos (20, 20') sobre os dois materiais transportadores em forma de fita (16, 17) são eletricamente conectado através de suas bordas (19) a fim de formar a caminhos de corrente em forma de espiral.
14. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a aplicação de camadas é executada por impressão, ligação adesiva, eletrólise, de solda, revestimento de evaporação, borrifação e/ou decomposição termal de metais compostos na fase de vapor, com uma estrutura do filamento (20, 20') sendo formada diretamente.
Petição 870190073913, de 01/08/2019, pág. 27/31
15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo fato de que os dois materiais transportadores em forma de fita (16, 17) são separados a partir de um outro através de uma intercamada isolante resistente ao calor (29) e/ou uma abertura de ar, particularmente por solda (25) os dois materiais transportadores em forma de fita (16, 17), por dobragem de uma fita transportadora em forma de fita em duas fitas (16, 17) deitadas acima um do outro, ou por laminagem de um tubo liso (24), particularmente antes de uma etapa de texturização de laminagem dos materiais transportadores em forma de fita (16, 17).
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