DE102006041459A1

DE102006041459A1 - Armierte supraleitende Wicklung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102006041459A1
Application number: DE102006041459A
Authority: DE
Inventors: Werner Herkert; Volker Dr. Hussennether
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-13
Also published as: EP2059934B1; CN101512688B; DE502007002958D1; EP2059934A1; US8260386B2; CN101512688A; US20090206968A1; WO2008028789A1

Abstract

Die supraleitende Wicklung (2) ist mit einem bandförmigen HTS-Leiter (4) vom Röbelleiter-Typ aus untereinander transponierten, bandförmigen HTS-Einzelleitern erstellt. Dem vorgefertigten HTS-Leiter (4) soll ein Armierungsband (5) beigewickelt sein, das mit dem HTS-Leiter (4) metallurgisch nicht verbunden ist und unter einem vergleichsweise größeren Wickelzug (WZ2) steht. Dabei wird das Armierungsband (5) mit einem Wickelzug (WZ2) gewickelt, der mindestens 1,5 mal, vorzugsweise mindestens 3 mal so groß ist wie der Wickelzug (WZ1) des HTS-Leiters (4).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Wicklung mit mindestens einem zumindest weitgehend bandförmigen HTS-Leiter, der in einzelnen Windungen der Wicklung unter einen vorbestimmten Wickelzug gesetzt ist und dem auf seiner Außenseite ein Armierungsband aus einem Material mit vergleichsweise höherer Zugfestigkeit als der des HTS-Leiters zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen supraleitenden Wicklung. Eine entsprechende Wicklung und ein Verfahren zu deren Herstellung sind aus der JP 10-92630 A zu entnehmen.
Auf dem Gebiet der Supraleitungstechnik, insbesondere dem Gebiet der Hochenergie- und Teilchenphysik oder der elektrischen Maschinen, werden seit langem Spulenwicklungen aus Supraleitern vorgesehen. Hierbei kommen im Allgemeinen Leiter mit klassischem, metallischem Supraleitermaterial mit niedriger Sprungtemperatur T_c, so genanntes Low-T_c-Supraleitermaterial (Abkürzung: LTS-Material) zur Anwendung. Hauptvertreter dieses Materialtyps sind NbTi und Nb₃Sn.
Seit Bekanntwerden der oxidischen Supraleitermaterialien mit hoher Sprungtemperatur T_c, dem so genannten High-T_c-Supraleitermaterial (Abkürzung: HTS-Material), wird versucht, entsprechende Wicklungen auch mit Leitern aus diesen Materialien herzustellen. Ein entsprechender Vorschlag geht aus der eingangs genannten JP 10-92630 A hervor. Die aus dieser Schrift zu entnehmende Wicklung ist mit HTS-Leitern erstellt, deren HTS-Material vom Bi-Cuprat-Typ wie z. B. (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x oder vom Y-Cuprat-Typ wie z. B. YBa₂Cu₃O_y ist. Die Leiter sind dabei vom so genannten Monocore- oder Multifilament-Typ, wobei in eine Ag-Matrix eine oder mehrere supraleitende Leiteradern aus dem HTS-Material eingebettet sind. Zum Aufbau der Wicklung wird ein Vorprodukt des HTS-Leiters, bei dem die supraleitende Phase und das entsprechende Gefüge noch nicht vollständig ausgebildet sind, zusammen mit einem Armierungsband aus einer Ag-Legierung um einen Wickelkern gewickelt. Das Material des Armierungsbandes hat dabei eine größere Zugfestigkeit als das des HTS-Leiters. Nach Erstellung des Aufbaus wird dieser einer Glühbehandlung unterzogen, wobei sich die supraleitende Phase und das Gefüge ausbilden sowie eine metallurgische Verbindung zwischen dem Matrixmaterial des HTS-Leiters und dem Armierungsband an der gemeinsamen Berührungsfläche geschaffen wird. Wegen der erforderlichen Glühbehandlung ist der Aufbau der Wicklung entsprechend aufwendig.
Zum Aufbau von Großmagneten aus supraleitenden Wicklungen mit klassischem (metallischen) LTS-Material, wie z. B. für die europäische Blasenkammer bei CERN, ist es aus „Industries Atomiques", Vol. 5/6, 1970, Seiten 33 bis 46 bekannt, ein Armierungsband parallel zu einem bandförmigen NbTi-Supraleiter zu wickeln. Das Armierungsband kann aus Edelstahl bestehen. Der verwendete Supraleiter setzt sich dabei aus mehreren Einzelleitern mit jeweils in eine Cu-Matrix eingebetteten NbTi-Leiteradern zusammen, die zu einem starren Leiteraufbau durch Verlöten aneinandergefügt sind (vgl. auch DE 1 765 917 C ).
Insbesondere für größere Wicklungen wie z. B. von größeren Magneten oder elektrischen Maschinen sollen auch HTS-Leiter mit höherer Stromtragfähigkeit zum Einsatz kommen, die vom so genannten Röbelleiter-Typ sind. Entsprechende Leiter können aus weitgehend bandförmigen, untereinander transponierten Einzelleitern, die jeweils entweder vom so genannten Monocore- oder Multifilament-Typ sind, bestehen. Sie sind z. B. aus der WO 01/59909 A1 bekannt. Auch mit bandförmigen Einzelleitern vom beschichteten Leitertyp gemäß der WO 03/100875 A kommen für einen Aufbau von HTS-Röbelleitern in Frage.
Will man Wicklungen mit solchen HTS-Röbelleitern erstellen, so ist zu beachten, dass unter Berücksichtigung der radialen Dicke des Röbelleiters die Einzelleiterpositionen unterschiedliche Wickelradien und damit unterschiedliche Umfangs längen pro Windung aufweisen. Hieraus folgt ein spezifischer Leiterlängenbedarf der Einzelleiterpositionen. Die zur Innenseite eines Wickelkörpers gewandten Einzelleiterpositionen weisen so einen im Vergleich zur Außenseite geringeren Leiterbedarf auf. Beim Wickeln führt dies zu Ausgleichsbewegungen der Einzelleiter, die sich in einem Aufspreizen des Röbelleiter-Verbunds aus den HTS-Einzelleitern zeigen. Hieraus ergeben sich für die Anwendung folgende Probleme:

– Zur Herstellung von Wicklungen ist ein vollständiges Anlegen des Röbelleiters an einen Wickelkörper von Hand zu gewährleisten.
– Die mechanische Belastbarkeit der Wicklung in tangentialer Richtung wird durch die Zugbelastbarkeit der HTS-Einzelleiter beschränkt.

Unter Berücksichtigung dieser Probleme kann man bei der Herstellung von Wicklungen mit solchen HTS-Röbelleitern das Anlegen des Leiters an den Wickelkörper unter Sichtkontrolle sicherstellen. Die am Wickelkörper auftretenden Aufspreizungen müssen jedoch von Hand geglättet werden. Der Ausgleich der Einzelleiterlängen erfolgt nach Verarbeitung einer Transpositionslänge, d.h. nach einem vollständigen Wechsel der Einzelleiterpositionen. Eine entsprechende Herstellungstechnik unter Von-Hand-Eingriffen ist entsprechend aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Aufbau einer supraleitenden Wicklung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, der eine maschinelle Fertigung ermöglicht, ohne dass die erwähnten Probleme gegeben sind. Ferner soll ein geeignetes Verfahren zum Aufbau einer solchen Wicklung geschaffen werden.
Die sich auf die supraleitende Wicklung beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Demgemäß soll die Wicklung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend ausgestaltet sein, dass der HTS-Leiter vom Röbelleiter-Typ ist mit untereinander transponierten, zumindest weitgehend bandförmigen HTS-Einzelleitern und soll das metallurgisch nicht mit dem vorgefertigten Endprodukt des HTS-Leiters verbundene Armierungsband in den einzelnen Leiterwindungen unter einem höheren Wickelzug als dem des HTS-Leiters beigewickelt sein.
Mit dieser Ausgestaltung der Wicklung sind insbesondere die folgenden Vorteile verbunden:

– Es wird eine Fertigungstechnik ermöglicht, die eine einfache Erstellung von Röbelleiter-Wicklungen gestattet. Eine Sichtkontrolle des einlaufenden Röbelleiters und manuelle Eingriffe entfallen dabei.
– Durch die Trennung von HTS-Röbelleiter und dem Armierungs- bzw. Bandageband ist es möglich, universelle HTS-Röbelleiter für einen Einsatz bei unterschiedlichen mechanischen Beanspruchungen zu fertigen. Die Auswahl des Materials für das Armierungsband erfolgt dann entsprechend den Anforderungen bei Betrieb der Wicklung.
– Das in die Wicklung eingebrachte Armierungsband stellt eine lokale mechanische Verstärkung der Wicklung dar und kann damit effektiv auftretende Kräfte aufnehmen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen supraleitenden Wicklung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der zugeordneten Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die Wicklung nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

• So kann das Armierungsband aus Edelstahl oder einem (gegebenenfalls faserverstärkten) Kunststoffmaterial bestehen. Entsprechende Bänder werden kommerziell und kostengünstig gefertigt und haben eine hinreichend hohe Zugfestigkeit. Bei einem Armierungsband aus Edelstahl kann es darüber hinaus günstig sein, kaltzähen Edelstahl vorzusehen. Damit ist gewährleistet, dass auch bei tiefen Temperaturen, insbesondere unterhalb der Sprungtemperatur T_c, neben der Zugfestigkeit noch ein ausreichendes plasti sches Formänderungsvermögen des Armierungsbandes vorliegt, um insbesondere Bruchdehnung bei derart niedrigen Temperaturen zu vermeiden.
• Stattdessen kann das Armierungsband auch aus einem Gewebematerial aus metallischem, insbesondere kaltzähem Material oder Kunststoffmaterial bestehen. Auch mit solchen Armierungsbändern sind die Anforderungen an eine hinreichende Zugfestigkeit insbesondere in Verbindung mit einem hinreichenden Formänderungsvermögen zu gewährleisten.
• Vorteilhaft können die Windungen mittels eines Kunstharzes mechanisch verbunden sein. Entsprechende Kunstharzimprägnierungen verhindern unerwünschte Leiterbewegungen, die zu einem Normalleitend-Werden (Quench) des Supraleitermaterials führen.
• Im Allgemeinen müssen die Windungen durch Isolationsmaterial beabstandet sein, um elektrische Überschläge zwischen benachbarten Windungen insbesondere in einem Quenchfall zu unterbinden. Die Isolierung kann dabei dadurch gewährleistet werden, dass die Einzelleiter mit einer isolierenden Umhüllung versehen sind. Stattdessen oder auch zusätzlich kann außer dem Armierungsband noch ein Isolationsband beigewickelt sein. Ein zusätzliches Isolationsband ist dann von Vorteil, wenn eine im Allgemeinen dünne Isolation der Einzelleiter nicht ausreichen sollte.
• Das HTS-Material der Einzelleiter kann vom Bi-Cuprat-Typ sein. Dabei können die einzelnen metallischen Komponenten (Bi, Sr, Ca, Cu) dieses Materialtyps in bekannter Weise durch andere Elemente teilweise oder auch vollständig substituiert sein. Stattdessen kann das HTS-Material der Einzelleiter auch vom Y-Cuprat-Typ sein. Auch hier ist eine teilweise oder vollständige Substitution der metallischen Komponenten möglich. Dabei können die Einzelleiter beider Material-Typen vom Monocore-Typ oder vom Mul tifilament-Typ oder vom beschichteten Trägerband-Typ (so genannte „Coated conductors") sein.

Die sich auf das Verfahren beziehende Lösung der genannten Aufgabe ist mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zu erhalten. Demgemäß soll bzgl. der beanspruchten supraleitenden Wicklung vorgesehen werden, dass der HTS-Leiter vom Röbelleiter-Typ zusammen mit dem Armierungsband gewickelt wird, wobei das Armierungsband unter einen größeren Wickelzug als dem des HTS-Leiters gesetzt wird. Diesen Maßnahmen liegt die Tatsache zugrunde, dass mit einem allein auf einen HTS-Röbelleiter (ohne Verwendung eines Armierungsbandes) einwirkenden Wickelzug eine gleichmäßige Verteilung des Wickelzugs auf dessen Einzelleiter praktisch nicht zu erreichen ist. Die Folge davon ist eine Aufspreizung des HTS-Röbelleiters bzw. seiner Einzelleiter an einem Wickelkörper. Eine Lösung dieses Problems wird dagegen durch Beiwickeln eines Armierungsbandes mit hohem Wickelzug auf der Außenseite erreicht. Fertiger Röbelleiter und Armierungsband laufen dabei am gleichen Ort des Wickelkörpers ein. Hierdurch werden Aufspreizungen der Einzelleiter am Wickelkörper vermieden und es wird ein vollständiges Anlegen des Röbelleiters am Wickelkörper erzielt. Das Armierungsband kann vorteilhaft nach der Fertigung in der Wicklung verbleiben und kann somit Kräfte, die z. B. bei Betrieb der Wicklung entstehen, aufnehmen. Ein Beispiel solcher Kräfte sind Zentrifugalkräfte bei Betrieb rotierender elektrischer Maschinen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zur Herstellung der supraleitenden Wicklung gehen aus den von Anspruch 11 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Maßnahmen nach Anspruch 11 mit den Maßnahmen eines der davon abhängigen Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann das Verfahren zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

• So wird das Armierungsband vorteilhaft unter einen Wickelzug gesetzt, der über der kritischen Zugspannung des HTS-Röbelleiters liegt. Einbußen an kritischer Stromdichte des Röbelleiters sind so auf alle Fälle zu vermeiden. Die entsprechende kritische Zugspannung bekannter HTS-Röbelleiter liegt dabei unter 200 MPa, vorzugsweise unter 150 MPa.
• Bevorzugt wird für das Armierungsband ein Wickelzug vorgesehen, der mindestens das 1,5fache, vorzugsweise das 3fache des Wickelzugs für den HTS-Leiter beträgt. Erst mit dem wesentlich größeren Wickelzug auf das Armierungsband ist nämlich die unerwünschte Aufspreizung des Röbelleiters zu vermeiden.
• Um Schädigungen des HTS-Materials und damit verbundene Einbußen an Stromtragfähigkeit des Röbelleiters beim Wickeln von Vornherein zu verhindern, wird für den HTS-Leiter ein Wickelzug von mindestens 10 MPa und höchstens 100 MPa vorgesehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Herstellung einer supraleitenden Wicklung weiter beschrieben ist. Dabei zeigen in stark schematisierter Darstellung
deren 1 einen Aufbau zur Herstellung der Wicklung von Vornherein, sowie
deren 2 einen Ausschnitt aus dieser Wicklung
Bei der in 1 gezeigten Seitenansicht auf eine teilweise erstellte supraleitende Wicklung 2 wird von an sich bekannten Vorrichtungen zur Erstellung solcher Wicklungen ausgegangen. Die Wicklung wird um einen zentralen Wickelkörper 3 erstellt, der gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen Querschnitt hat. Stattdessen können selbstverständlich auch andere Geometrien des Wickelkörpers, beispielsweise mit abschnittsweise gerader Außenkontur wie im Fall von so genannten Rennbahn-(Race Track)-Spulen vorgesehen sein. Um den Wickelkörper 3 wird kontinuierlich und gleichzeitig mit einem zumindest weitgehend bandförmigen HTS-Röbelleiter 4 ein Armierungsband 5 gewickelt, wobei das Armierungsband jeweils auf die Außenseite des HTS-Röbelleiters zu liegen kommen soll. HTS-Röbelleiter sowie Armierungsband werden von in der Figur nicht dargestellten Vorratsspulen abgewickelt.
Erfindungsgemäß wird das Armierungsband 5 mit einem um mindestens das 1,5fache, vorzugsweise um mindestens das 3fache größeren Wickelzug als dem des HTS-Röbelleiters tangential um den Wickelkörper 3 gewickelt. Die unterschiedlichen Wickelzüge WZ1 und WZ2 von HTS-Röbelleiter 4 bzw. Armierungsband 5 sollen in der Figur durch unterschiedlich lange Pfeile angedeutet sein. Der Wickelzug WZ1 soll unterhalb der kritischen Zugspannung des HTS-Röbelleiters liegen, die im Allgemeinen unter 200 MPa, vorzugsweise unter 150 MPa liegt. So weisen z. B. bekannte HTS-Röbelleiter mit Bi-2223-Cuprat-Material kritische Zugspannungen zwischen 110 und 150 MPa auf. Geeignete Zugspannungen WZ1 liegen zwischen 10 MPa und 100 MPa, insbesondere zwischen 20 und 50 MPa. Die Zugspannung WZ2 für das Armierungsband 5 beträgt dann beispielsweise 150 MPa. Für das Armierungsband 5, dessen Breite vorteilhaft der des HTS-Röbelleiters 4 entsprechen sollte, kommt als Material praktisch jedes in Frage, das einen hinreichend hohen Wickelzug in der genannten Größenordnung erlaubt. Beispiele sind Edelstahlbänder oder Bänder aus einer Cu-Legierung. Auch entsprechend zugfeste Kunststoffmaterialien sind geeignet, die gegebenenfalls faserverstärkt sind. Das Armierungsband kann dabei auch als Gewebe ausgebildet sein, wobei die Gewebeteile metallisch sind oder aus Kunststoff bestehen.
2 zeigt einen Querschnitt durch die teilweise erstellte Wicklung nach 1. Die Wicklung weist in dem gezeigten Zustand drei Windungen w1 bis w3 auf, die durch gemeinsames Bewickeln des Wickelkerns mit dem HTS-Röbelleiter 4 und dem Armierungsband 5 ausgebildet sind. Der Röbelleiter hat dabei einen etwa rechteckigen Querschnitt, der von beispielsweise 9 etwa bandförmigen HTS-Einzelleitern 6i eingenommen wird. Der Aufbau des Röbelleiters aus solchen Einzelleitern ist allge mein bekannt (vgl. die genannten WO 01/59909 A1 und WO 03/100875 A2 ). Diese Einzelleiter 6i weisen im Allgemeinen jeweils eine isolierende Umhüllung auf. Gegebenenfalls kann zusätzlich mit dem Armierungsband 5 noch ein isolierendes Band eingewickelt werden, falls das Armierungsband selbst nicht isolierend ist.

Claims

Supraleitende Wicklung (2) mit mindestens einem zumindest weitgehend bandförmigen HTS-Leiter (4), der in einzelnen Windungen (w1 bis w3) der Wicklung unter einen vorbestimmten Wickelzug gesetzt ist und dem auf seiner Außenseite ein Armierungsband (5) aus einem Material mit vergleichsweise höherer Zugfestigkeit als der des HTS-Leiters zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Leiter (4) vom Röbelleiter-Typ ist mit untereinander transponierten, zumindest weitgehend bandförmigen HTS-Einzelleitern (6i) und dass das metallurgisch nicht mit dem vorgefertigten Endprodukt des HTS-Leiters (4) verbundene Armierungsband (5) in den einzelnen Leiterwindungen (w1 bis w3) unter einem höheren Wickelzug (WZ2) als dem des HTS-Leiters (4) beigewickelt ist.
Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Armierungsband (5) aus einem Edelstahl besteht.
Wicklung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch kaltzähen Edelstahl.
Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Armierungsband (5) aus einem Kunststoffmaterial besteht.
Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Armierungsband (5) aus einem Gewebematerial aus metallischem Material oder Kunststoffmaterial besteht.
Wicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (w1 bis w3) mittels eines Kunstharzes mechanisch verbunden sind.
Wicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (w1 bis w3) durch ein Isolationsmaterial beabstandet sind.
Wicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelleiter (6i) mit einer isolierenden Umhüllung versehen sind.
Wicklung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass außer dem Armierungsband (5) noch ein Isolationsband beigewickelt ist.
Wicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der HTS-Einzelleiter (6i) vom Bi-Cuprat-Typ ist.
Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der HTS-Einzelleiter (6i) vom Y-Cuprat-Typ ist.
Wicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Einzelleiter vom Monocore-Typ oder Multifilament-Typ oder vom beschichteten Trägerband-Typ sind.
Verfahren zur Herstellung einer Wicklung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Leiter (4) vom Röbelleiter-Typ zusammen mit dem Armierungsband (5) gewickelt wird, wobei das Armierungsband (5) unter einen größeren Wickelzug (WZ2) als dem des HTS-Leiters (4) gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Armierungsband (5) unter einen Wickelzug (WZ2) gesetzt wird, der über der kritischen Zugspannung des HTS-Röbelleiters liegt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass für das Armierungsband (5) ein Wickelzug (WZ2) vorgesehen wird, der mindestens das 1,5fache, vorzugsweise mindestens das 3fache des Wickelzugs (WZ1) für den HTS-Leiter (4) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für den HTS-Leiter (4) ein Wickelzug (WZ1) von mindestens 10 MPa und höchstens 100 MPa vorgesehen wird.