CH627873A5 - Fully transposed conductor consisting of superconductor material and normally conductive material - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen volltransponierten Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten, zu einem flachen Teilleiter verseilten oder verlitzten Leiteradern.
Derartige Leiter sind für Magnetspulen geeignet, die insbe-sonere veränderlichen Feldern ausgesetzt sind. Um die bei Auferregung von Magnetspulen aus solchen Leitern oder durch sich ändernde Fremdfelder in den Leitern induzierten und damit zu unerwünschten Feldänderungen führenden Ströme zu vermeiden, sind die Leiter derart verseilt, dass jede Leiterader im Leiter eine periodische Lageveränderung vollführt, wobei nach einer bestimmten Schlaglänge jede Leiterader wieder in ihre Ausgangslage zurückkehrt. Einen so verseilten Leiter nennt man volltransponiert. Infolge der Transponierung ist die Stromverteilung in einem veränderlichen Feld im Mittel über den gesamten Leiter gleichmässig.
Die einzelnen Leiteradern sind bei den bekannten Leitern häufig als Vielkernleiter ausgebildet, wobei in einem bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials normalleitendem Matrixmetall viele supraleitfähige Filamante enthalten sind. In der Regel sind dabei die Filamente der einzelnen Leiteradern um die Längsachse der Leiteradern verdrillt. Flachseile, bei denen solche verdrillte Vielkernleiter um ein bandförmiges Trägermaterial herumgewickelt sind, sind beispielsweise aus ETZ-A, Band 92 (1971), Seiten 364 bis 366, insbesondere Seite 365, Bild lh, bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leiter der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, der einerseits eine Vielzahl von supraleitfähigen Filamenten enthält und andererseits einen grossen Leiterquerschnitt und damit eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Leiter gelöst, bei dem mehrere flache Teilleiter nach Art eines Roebelstabes zusammengefasst sind, deren Leiteradern aus einer Matrix aus elektronisch normalleitendem Metall und darin eingelagerten Filamentdrähten aus Supraleitermaterial bestehen.
Unter einem Roebelstab ist eine Anordnung von Teilleitern zu verstehen, bei der jeder Teilleiter innerhalb des Roebelstabes bei gleichbleibender Steigung eine periodische Drehung ausführt. Bei Mehrebenen-Roebelstäben kann die periodische Vertauschung der Teilleiter innerhalb des Roebelstabes auch zwischen mehreren Ebenen stattfinden. Derartige Roebelstäbe aus elektrisch normalleitenden Einzelleitern, die auch als Hohlprofile ausbildet sein können, sind beispielsweise in «Scientia Electrica», Vol. XIV (1968), Seiten 49 bis 72 beschrieben. Bekannt ist es ferner, einen bandförmigen Supraleiter, der aus mehreren nebeneinanderliegenden Teilleitern aus elektrisch normalleitendem Metall besteht, in welche Drähte aus Supraleitermaterial eingelagert sind, in Art eines Roebelstabes auszubilden (DE-PS 19 32 086). Die einzelnen Teilleiter bei diesem bekannten Roebelstab bestehen jedoch aus einzelnen Leiteradern und nicht aus zu einem Flachkabel verseilten Leiteradern.
Durch die erfindungsgemässe Roebelstab-Anordnung von zu flachen Teilleitern verseilten Leiteradern ist es möglich, volltransponierte Supraleiter hoher Stromtragfähigkeit zur Verfügung zu stellen, die geringe Auferregungsverluste und eine zeitlich stabile Feldverteilung aufweisen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Breite und Höhe des Leiterquerschnitts nicht zu stark voneinander abweichen. Vorzugsweise sollte der erfindungsgemässe Leiter einen nahezu quadratischen Querschnitt aufweisen. Leiter mit einem derartigen Seitenverhältnis eignen sich insbesondere bei grossen Leiterquerschnitten für Spulen, die mit kleinen Krümmungsradien in zwei Ebenen gewickelt werden sollen.
Als Supraleitermaterial für die eingelagerten Filamentdrähte, deren Durchmesser 50 um nicht überschreiten sollte, eignen sich insbesondere supraleitende Niob-Titan-Legierun-gen. Als elektrisch normalleitendes Metall kann mit Vorteil Kupfer verwendet werden. Für Wechselstromanwendungen des Leiters kommen für das elektrisch normalleitende Metall auch Legierungen mit höheren elektrischen Widerständen, wie Kupfer-Nickel-Legierungen in Frage, da diese zur weiteren Verringerung der Wirbelstromverluste beitragen können. Die supraleitfähigen Filamentdrähte können aber auch aus intermetallischen Verbindungen, wie NbsSn, bestehen, welche beispielsweise in einer Matrix aus Kupfer-Zinn-Bronze eingelagert sind. Diese Leiteradern können dann noch zusätzlich mit einem weiteren Material, beispielsweise Kupfer, stabilisiert sein.
Bei den Leitern, die durch die in einer Magnetspule auftretenden magnetischen Kräfte sehr hohen mechanischen Zugbeanspruchungen ausgesetzt werden, kann es ferner günstig sein, die Teilleiter mit einem Material zu verstärken, welches eine höhere mechanische Zugfestigkeit besitzt als das elektrisch normalleitende Metall der Leiteradern.
Anhand einiger Figuren soll die Erfindung an Beispielen noch näher erläutert werden.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Leiters im Querschnitt beziehungsweise in Draufsicht. Die Fig. 5 bis 7 zeigen schematisch weitere beispielhafte Ausführungsformen im Querschnitt.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen im Querschnitt einen aus 19 flachen nebeneinanderliegenden Teilleitern 1 bis 19 zu einem Roebelstab zusammengefassten Leiter. Jeder flache Teilleiter besteht aus 11 Leiteradern 20, beispielsweise aus einer Kupfermatrix, in die eine Vielzahl von Filamentdrähten aus einer supraleitfähigen Niob-Titan-Legierung eingelagert sind. Schematisch ist dies bei den ersten fünf Teilleitern 1 bis 5 der Fig. 1 angedeutet. Beispielsweise kann jede Leiterader mit einem Durchmesser von 0,86 mm, 300 Filamentdrähten mit einem Durchmesser von je 20 (im enthalten. Wie aus den Fig. 1 bis 3 deutlich zu erkennen ist, kommen die flachen Teilleiter 1 bis lOund 11 bis 19 durch die periodische Vertauschung innerhalb des Roebelstabes abwechselnd in eine der beiden Ebenen des bandförmigen
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Leiters zu liegen. Die Fig. 4 zeigt denselben Leiter in Draufsicht.
Ein Leiter gemäss vorstehendem Beispiel kann bei einer magnetischen Flussdichte von 5 T und bei 4,2 K Ströme von 40 000 bis 50 000 A tragen. Er ist somit vornehmlich für den Bereich von Supraleitungshochstromspulen, zum Beispiel für plasmaphysikalische Anwendungen geeignet, die mit gepulsten Strömen arbeiten.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfin-dungsgemässen Leiters. Die Einzeladern 52 der flachen Teilleiter 51 sind hierbei zur mechanischen Stabilisierung um ein Band 53 aus einem Material hoher Zugfestigkeit verseilt. Geeignet sind für dieses Material Nickel-Chrom-Legierungen, beispielsweise solche mit im wesentlichen etwa 80 Gew.-% Nickel und 20 Gew.-% Chrom, die unter der Normbezeichnung NiCr 8020 bekannt sind. Wenn für das Band eine sehr hohe Zugfestigkeit erforderlich ist, können vorteilhaft auch faserverstärkte Werkstoffe verwendet werden.
Während bei den bisher beschriebenen Ausführungen des Leiters lediglich eine in den meisten Fällen völlig ausreichende Aussenkühlung möglich war, können bei höchsten Anforderungen an die Betriebssicherheit des Leiters auch zusätzliche Kühlkanäle innerhalb des Leiters angeordnet sein, durch die zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes weiteres Kühlmittel strömen kann. Dabei kann ein Kühlkanal beispielsweise zwischen je zwei von mit ihren Breitseiten aneinanderliegenden flachen Teilleitern 61 gebildeten Schichten angeordnet sein. Schematisch ist dies in Fig. 6 dargestellt, wobei mit 62 der Kühlkanal bezeichnet ist. Als Material für den Kühlkanal, der beispielsweise in Form eines profilierten Rohres ausgebildet sein kann, kommt zum Beispiel Kupfer wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit in Frage. Für dynamische Beanspruchungen können auch andere Materialien geeignet sein, beispielsweise hochfeste Stähle.
Eine weitere Möglichkeit einen Leiter zusätzlich zu kühlen,
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kann durch Anordnung eines Kühlkanals an Stelle wenigstens eines flachen Teilleiters erreicht werden. Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder zweite Teilleiter durch einen Kühlkanal 72 ersetzt, so dass innerhalb des Leiters jeder 5 Kühlkanal zwischen den Breitseiten eines flachen Teilleiters 71 liegt, beziehungsweise bei weiterer Vertauschung der Teilleiter wenigstens an eine Breitseite eines Teilleiters angrenzt. Durch diese Anordnung der Kühlkanäle ist eine noch bessere Kühlung der einzelnen Teilleiter gewährleistet.
io Abgesehen davon, dass der erfindungsgemässe Leiter volltransponiert ist, weist er den Vorteil auf, dass die flachen Teilleiter aus serienmässig verfügbaren, beziehungsweise herstellbaren Leiteradern aufgebaut werden können. Je nach Anzahl und Aufbau dieser wiederum zu einem Roebelstab zusammen-15 gefassten Teilleiter, kann der erfindungsgemässe Leiter für ein breites Spektrum von Answendungsfällen in Frage kommen, ohne dass es erforderlich ist, für jeden einzelnen Anwendungsfall speziell angepasste Leiteradern zu konzipieren.
20 Ferner können die zu den flachen Teilleitern zu verseilenden Leiteradern vorher in einfacher Weise Querschnitts Veränderungen unterzogen werden, so dass sich auch dünnste Filamente erzielen lassen. Die vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Leiteradern haben gegenüber kom-25 pakten Flachleitern neben der günstigeren Transponierung ferner den Vorteil, dass die supraleitfähigen Filamente durch die Verformungsschritte bei der Leiterherstellung nicht breitgequetscht werden, wie das bei kompakten Flachleitern üblicherweise der Fall ist. Im Gegensatz zu den kompakten Flachleitern 30 zeigen die erfindungsgemässen Leiter daher praktisch keinen Anisotropieeffekt, d. h. keine Richtungsabhängigkeit der kritischen Stromstärke in einem äusseren Magnetfeld.
Da sich die Leiteradern in beliebiger Länge herstellen lassen, kann auch der erfindungsgemässe Leiter eine beliebige 35 Länge aufweisen.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Volltransponierter Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten, zu einem flachen Teilleiter verseilten oder verlitzten Leiteradern, gekennzeichnet durch mehrere flache, nach Art eines Roebelstabes zusammengefasste Teilleiter (1 bis 19), deren Leiteradern (20) aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem Material und darin eingelagerten Filamentdrähten aus Supraleitermaterial bestehen.
2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen nahezu quadratischen Querschnitt aufweist.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus Kupfer und die Filamentdrähte aus einer supraleitfähigen Niob-Titan-Legierung bestehen.
4. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tèilleiter (51) mit einem Material (53) mechanisch verstärkt sind, welches eine höhere mechanische Zugfestigkeit besitzt als das elektrisch normalleitende Metall der Leiteradern (52).
5. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch wenigstens einen Kühlkanal (62).
6. Leiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (62) von den Teilleitern (61) umschlossen ist.
7. Leiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilleiter (71) an wenigstens einen Kühlkanal (72) angrenzt.
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