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| Die Erfindung betrifft eine Supraleitungsspule mit einer,_Wicklung |
| aus gegeneinander isolierten Windungen au, einiem bandförmigen |
| aus Sup-älei 1.srmatsr-ial und elektrisch noalleitendeiü bleta11 |
| zusammengesetzten, schichtförmig aufgebauten, mit einer firmlerung |
| aua Material hoher Zugfestigkeit versehenen Leiter. |
| Fiir den Hau von Supralei-tun;sspulen j insbemzcIere fron aupralei-- |
| tencen Großmagneten h=@,bn sich sog enannte stablliaierte Leiter, |
| die aas supraleitenden und. bei .der Betriebstemperatur. .der
Spule- |
| gut elektrisch leite-hden, normalleitenden Metallen zusamme.nge- |
| setzt sind, als -vorte-ilhaft, erwiesen. Querschnitt und Tief- |
| o |
| temperaturleitfähigkeit :des normalleitenden Metalls sind bei |
| .diesen Leitern so hemesaen, daß beim Übergang des Supralei- |
| termaterials. in den-kritischen,. Zustand durch Überschreiten
des |
| kritischen Stromes der das Supraleitermaterial@durchfließende |
| Strom gang oder teilweise von dem-normalleitenden Metall über- |
| nommen werden kann, so daß der Übergang des 8upraleitermaterials |
| vom supraleitenden in den normalleistenden Zustand kontinuier-
. |
| lieh und reversibel erfolgt und durch eine geringfügige 7er-. |
| kleinerung des Stromes der supraleitende Zustand wieder her- |
| gestellt werden kann.. Da die Temperatur eines solchen Leiters |
| t |
| auch beim Übergang des.Supraleitermaterials in den kritischen |
| Zustand die Sprungtemperatur des äupraleitermaterials nicht |
| überschreiten darf, maß ein :solcher Leiter möglichst gut ge- |
| kühlt werden. |
| Ba ferner insbesondere in großen Magnetspulen erhebliche Radial- |
| kräf te :auftreten, die zu starken Zugbeanspruchungen, der
die |
| Wicklung bildenden Leiter führen, werden die Leiter mit einer |
| Armierung aus Material hoher Zugfestigkeit, beispielsweise
aus |
| Edelstahl, versehen3 Bei einen bekannten echichtfürsnig aufäe-. |
| bauten, stäbillsierten, armierten Leiter ist ein -Band mit
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| einer Oberfläbhenchi--ht aus der supräleitenden Verbindung. |
| Niob-Zinn auf beiden Seiten mit je-einem Ku-pferband belegt. |
| Auf jedes i@iiüfoübänel ist wieder= zur |
| siie Edelstahl-- |
| band aufgelügt. Alle fünf Bänder a.i.i durch lurlü äen mechanisch |
| fest miteinander verbunden. Ein derartiger Leiter-hat jedoch
bei |
| der Verwendung "in der Wicklung einer Supraleitunggepule
den = |
| Nachteil, daß die Oberflächen des stabilisierenden normalleitenden |
| Metalls nicht unmittelbar von -dem: die Spule kühlenden Kühl-. |
| mittel@umspült werden können. Dies kann sich ungünstig auf |
| die s tabilisferende Wirkung des normalleitenden Metalls
aus- |
| wirken. |
| ,er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine SuPraleitungs- |
| magnetspulemit einer Wicklung anzugeben, bei der die
Kühl- |
| möglichkeiten wesentlich verbessert sind. |
| Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß. dadurch "gelöst,. daß der |
| bandförmige =Leiter der-Spulenwicklung drei Schichten -aufweist, |
| von denen die bei-den äußeren aus Supraleitermaterial und elek- |
| trisch normalleitendem Metall und die mittlere aus- dem Material |
| hoher Zugi'est.',gkei t bestehen, und daß zischen. den äußeren |
| Schichten und der auf diesen Schichten angeordneten Isolation |
| und/ oder zwischen -den äußeren :Schichten und der mittleren |
| Schicht Kühlkanäle vorgesehen-sind. |
| Da die A'rmie'rung in der Mitte dieses bandförmigen, Leiters
liegt, |
| können |
| äußeren Oberflächen der.aus Süpralei- |
| termaterial und elektrisch gut normalleitendem Metähl
be- |
| stehenden äichichten für d=en Kühlmittelzutritt freigehalten |
| werden, so daB. di.e an der Wärmeabfuhr beteiligte Oberfläche |
| gegenüber .dem bekannten. Leiter wesentlich veegrößert ist.
" -- |
Als Kühlkanäle können vorteilhaft an den der Isolation
zuge-
wandten Oberflächen der äußeren Schichten des bandförmigen Leiters oder
an den der mittleren armierenden Schicht zugewandten Oberflächen der äußeren Schichten
oder auch an beiden m Oberflächen der äußeren Schichten .quer zur Längsrichtung
des bandförmigen Leiters verlaufende Rillen vorgesehen sein, die in das elektrisch
normalleitende Metall eingeprägt sein k'ö'nnen. Die Kühlkanäle zwischen der Isolation
und dem bandförmigen Leiter können aber.aueh aus Rillen bestehen, die in der den.
äußeren Schichten des Leiters zuge*andten Seite der Isolation vorgesehen sind. In
diesem Fall können die der Isolation zugewandten Seiten der äußeren Schichten des
bandförmigen Leiters glatt ausgebildet sein. Die Rillen können beispielsweise in
die Isolation eingeprägt sein oder es können auf einem isolierenden Band zur Erzeugung
der Rillen Stege oder Stollen aus isolierendem Material befestigt sein.
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Die Isolation zwischen den Windungen der Spule kann aus einem zusammen
mit .dem bandförmigen Leiter in die Spulenwicklung eingewickelten, zu diesem.Leiter
parallel verlaufenden isolierenden Band bestehen. Eine solche Isolation wird man
insbesondere dann verwenden, wenn die einzelnen Schichten des Leiters erst beim
Wickeln der-Spule aufeinandergelegt werden. Eine mechanische Verbindung der einzelnen
Schichten des Leiters# beispielsweise durch Löten vor dem Wickeln der Spule, ist
nicht unbedingt notwendig, da der Leiter durch den Wickeldrweh 4er Spule
zusammengehaiten
wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spule ., '
-kann die-Isolation aus-einem oder mehreren mit Abstjnden zwischen den Bandkanten
um den bandförmigen Leiter gewickelten isolierenden Bändern bestehen. Eine derartige
lsolation-wird vor dem Wickeln der Spule um den bandförmigen Leiter gelegt und kanngleich-
T zeitig zur mechanischen Verbindung der einzelnen Leiterschichten dienen. Da Abstände
zwischen den-Bandkanten der isolierenden Bänder vorgesehen sind, kann das Kühlmittel
die, Isolation durchströmen und in die zwischen der Isolation-und.'den äußeren Schichten
des'Zeiters vorgesehenen-,-Kühlkanäle eindringen.
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Als isolierende- Bänder können beispielsweise glasfaserverstärkte
Kunststoffbänder oder-mit Epoxydharz getränkte Glasfaserbänder vorgesehen sein.
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. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform der Spule bestehen-die
beiden äußeren Schichten des-bandförmigen Leiters aus je einem Band aus elektrisch
normalleitendem Metall,- in das mehrere parallel zueinander verlaufende `Supraleiter
eingelagert sind. Das Band kann-belspielsweise aus insbesondere hochreinem Kupfer
oder Aluminiumbestehen, während ala@Supraleter insbesondere Drähte aus supraleitenden
Niob-Zirkon-und Niob-Titan-Legierungen - geeignet- sind. .
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Bei einer anderen Ausführungsform der Spule bestehen die beiden äußeren-Schichten
des bandförmigen le-iters aus mehreren nebeneinanderliegenden
bandförmigen
Einzelleitern aus elektrisch normalleitendem Metall, von denen wenigstens einer
einen oder mehrere eingelagerte Supraleiter enthält. Bei diesen Leiteraufbau besteht
die Möglichkeit, aus vorgefertigten Grundelementen bandförmige Leiter unterschiedlicher
Abmeesungen zusammenzusetzen und Wicklungen für Supraleitungespulen mit verschiedenen
Abmessungen aus gleichen Grundelementen aufzubauen. Ferner kann innerhalb des bandgörmigen
Leiters die Anzahl der eingelagerte- Supraleiter enthaltenden Einzelleiter variiert
werden, indem solche Einzelleiter gegen Einzelleiter ausgetauscht werden, die keine
Supraleiter enthalten. Aufgrund dieser Austauschmöglichkeit kann die Zusammensetzung
des Leiters dem örtlichen Nagnetfeldverlauf innerhalb der aus dem Leiter
hergestellten Spülenwicklung in einfacher Weise angepaßt werden. Zur Verbesserung
des elektrischen Kontaktes zwischen den bandförmigen Einzelleitern kann der in dieser
Weise aufgebaute bandförmige Leiter mit einem Band aus elektrisch-normalleitendem
Metall, beispielsweise aus-Kupfer, i
derart umwickelt sein, dgß zwischen den
Bandkanten freie Räume verbleiben. Diese können wiederum als Kühlmittelkanäle ausgenutzt
werden, Ferner besteht die Möglichkeit, die beiden äußeren Schichten des bandförmigen
Leiters für die Wicklung der erfindungsgemäßen Spule aus mehreren nebeneinanderliegenden
litzenförmigen Einzelleitern zusammenzusetzen, die aua mehreren Drähten aus iiochfeldsupraleitermaterial
mit elektrisch normalleitenden
Vetal@lüberzügen und gegebenenfalls
weiteren Drähten aus elektrisch-normalleitendem-Metall bestehen. Bei dieser Ausführungsform-des
Leiters können handelsübliche supraleitende Drähte bzw. supraleitende Litzen zum
Aufbau des bandförmigen Leiters verwendet werden.
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Bei den Ausführungsformen des bandförmigen Leiters-, bei denen die
beiden äußeren Schichten aus Einzelleitern zusammengesetzt. sind, wird man vorzugsweise
eine. Isolation aus einem oder mehreren, mit Abständen zwischen den Bandkanten
um .den bandförrnigen Leiter gewickelten isolierenden Bändern vorsehen, die
gleichzeitig zum mechanischen Zusammenhalt- der Einzelleiter dienen. Das um den
bandförmigen Leiter gewickelte isolierende Band kann dabei an der den äußeren Schichten
des banfförmigen Leiters zugewandten Oberfläche einen 'berzug aus elektrisch gut
normalleitendem Metall tragen.. Durch einen solchen Überzug wird die elektrische
Verbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Einzelleitern verbessert.
Als solches Band ist beispielsweise ein kupferkaschiertes, glaafaserverstärktes
Kunststoffband geeignet. Ferner können, bei diesen Ausführqngsforsem des bandförmigen
Leiters zwischen den äußeren Schicht= des bandförmigen Leiters und
der mittleren, aus Material hoher Zug-
festigkeit bestehenden Schicht Folien
aus gut elektrisch nor-
malleitendem Metall, beispielsweise aus Kupfer, eingelegt
sein: Auch diese Folien dienen zur Verbesserung der'elektrischen Ver-.'tiindung
-wischen den nebeneinanderliegenden Einseileitern.
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=Die mittlere, ans Material hoher Zugfestigkeit
boetehende Schicht
des bandförmigen Leiters kann auch mit einen
Band derart umwickelt sein, daß zwischen den Bandkanten freie Räume verbleiben.
Bei dieser Ausführungsform können die freien Räume als Kühlmittelkanäle ausgenutzt
werden. Das Band kann aus einem mechanisch hochfesten Material bestehen, beispielsweise
ein Edelstahl- oder Glasfaserband sein. Falls das Band auch zur elektrischen Querverbindung
zwischen nebeneinanderliegenden Einzelleitern dienen soll, kann es aus gut elektrisch
normalleitendem Material, beispielsweise Kupfer, bestehen. Die mittlere Schicht
des bandförmigen Leiters aus Material hoher Zugfestigkeit kann insbesondere aus
einem Edelstahlband oder aus einem Glasfaserband bestehen.
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Anhand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher
erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Wicklung einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Supraleitungsspule.
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Fig. 2a bis 2c zeigen ein Ausführungsbeispiel eines bandförmigen Leiters
für eine Supraleitungsspule gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 bis 8 zeigen weitere Ausführungsformen von bandförmigen Leitern
für Supraleitungsspulen@ gemäß der Erfindung.
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In Fig. 1 sind schematisch im Schnitt die drei innersten Jindungen
einer Vicklung bei einer Ausführungsfora der erfindungsgemö.ßen Supraleitungespule
dargestellt. Die Wicklung ist als Scheibenwicklung aus dem bandförmigen heiter
1 spiralig um den zylinderförmigen Spulenkörper 2 gewickelt, dessen vertikal
gerichtete
bängsachse durch die unterbrochene Linie 9 angedeutet ist. Die Wicklung befindet.
sich in einem in der Figur nicht dargestellten' Gehäuse und ist beim Betrieb
der Spule von einem Kühlmittel, im allgemeinen flüssigem Helium, umgeben.
Die gesamte Spule besteht vorzugsweise aus mehreren solchen Scheibenwicklungen,
die elektrisch in Reihe geschaltet sind und beispielsweise übereinander auf dem
gemeinsamen Spulenkörper 2 angeordnet sein können. Der bandförmige Leiter 1 ist
aus drei Schichten aufgebaut. Die beiden äußeren Schichten 3 und 4 bestehen jeweils
aus einem gut elektrisch normalleitenden Igetallband, in das mehrere parallel. zueinander
verlaufende supraleitende Drähte 5 eingebettet sind. Die mittlere als
Armierung
dienende Schicht 6 besteht aus einem Panä-aus Vaterial hoher Zugfestigkeit, insbesondere
aus nichtmagnetischem Edelstahl. Zur Isolation der einzelnen Windungen des yeterä
1 voneinander ist ein isolierendes Band-7 an einer Breitseite des Leiters 1 parallelgeführt
und zusammen mit diesem Leiter spiralig gewickelt. Die Bänder 3 und 4 sind an ihren
der Isolation 7 zugewandten Oberflächen und an ihren der mittleren armierenden Schicht
6 zugewandten Oberflächen mit Rillen 8 versehen, die als-Kühlkanäle dienen. Das
flüssige Helium kann diese Kühlkanäle durchströmen und steht somit beim Betrieb
der Spule in innigem Kontakt mit den Breitseiten der-die Supraleiter 5 enthaltenden
normalleitenden Bänder, so daß diese hervorragend gekühlt werden.Die Kühlmittelströmung
in den lm wesentlichen vertikal gerichteten Kühlkanälen 8 kaue aufgrund des natürlichen
Auftriebs erfolgen. Bdi erzwungener Kthlmittelströmung känneu auch ari«ere Richtungen-für
die Spulenaches
und die Kühlkanäle vorgesehen werden. Beispielsweise
können diese horizontal gerichtet sein.
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Die einzelnen Teilbänder des bandförmigen Leiters 1 brauchen nicht
vor dem Wickelnder-Spule miteinander mechanisch verbunden zu werden. Sie können
beispielsweise von getrennten Vorratsrollen gleichzeitig auf den Spulenkörper
2 aufgewickelt werden
und werden dann in der Wicklung durch den Wickeldruck
zusammengehalten. Elektrisch sind die beiden äußeren Schichten 3 und 4 des Leiters
1 beim Betrieb der Spule parallelgeschaltet.
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Die Figuren 2a bis 2c zeigen eine andere Ausführungafarm eines bandförmigen
Leiters für eine Spule gemäß der Erfindung. In Fig. 2a ist der Leiter im Querschniit,
in Fig. 2b im Längsschnitt und in Fig. 2c in Draufsicht dargestellt., Der
.Leiter besteht wiederum aus zwei Bändern 11 und 12 aus gut elektrisch normalleitendem
Metall mit eingelagerten supraleitenden Drähten 13 und einem zwischen diesen Bändern
liegenden Band 14 aus Material hoher Zugfestigkeit. Als Isolation sind isolierende
Bänder 15 vorgesehen,, die mit verhältnismäßig starker Steigung derart um den bandförmigen
Leiter gewickelt sind, daß zwischen den Kanten der nebeneinanderliegenden Bandwindungen
,ein Abstand vorhanden ist. Die isolierenden Bänder 15 werden vor dem Wickeln der
Spule um den bandförmigen Leiter herumgewickelt. Die den tsolierenden Bändern 15
zugewandten Oberflächen der Bänder 11 und 12 sind mit Rillen 16 versehen,
durch die dag fliiseig! üelium unter den isolierenden Bändern 15 an
der Oberfläche des bandförmigen . Leiters in Richtung des Pfeilen 17
entlangetrömen )CSnn. Die
Rillen 16 brauchen nicht unbedingt
-wie in Pig. 2c senkrecht-
zur Längsrichtung des bandförmigen
Leitern zu verlaufen, sondern
können auch leicht gegen diese Richtung geneigt
sein.
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Matt an den der Isolation zugekehrten Oberflächen des bandförmigen
Leiters können die Rillen für die Kühlkanäle auch in den isolierenden Bändern
vorgesehen sein. Fig: 3 zeigt ein
solches isolierendes Band 21, das
mit Querrillen 22 versehen und auf die in diesem Falle glatte Oberfläche 23
den bandförmigen Leitern aufgelegt ist.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines bandförmigen Leiters
für
eine Spule gemäß der Erfindung, bei der die beiden äußeren
Schichten aus mehreren nebeneinanderliegenden barkdförnigen Einzelleitern
30 aus elektrisch gut normalleitendem Xetall bestehen, von denen jeder
beispielaweise@zwei eingelagerte supraleitende Drähte 31 enthält. Auf dem mittleren
armierenden Hand 32 sind Stege 33 angebracht, die zwischen die Einzellei-
ter
30 eingreifen und diese gegen Verrutschen sichern, Um den bandförmigen
Leiter ist ein isolierendes Band 34 gewickelt,
das gleichzeitig die-.
einzelnen Teile des Leiters mechanisch zusammenhält. Auf der dem Leiter zugekehrten
Seite ist das Hand 34 mit einer Kupferschicht 35 versehen, die als gut leitende
Querverbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Einzelleitern 30 dient. Die der
Isolation zugewandten Ober-flächen der Einzelleiter 30, die
etwas über die Stege 33
hinausragen, sind mit Querrillen 36 versehen. Falls
das Hand 34 die Einzelleiter 30 fest genug zusammenhält, können die Stege 33
auch
weggelassen werden.
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Fig. 5 zeigt einen bandförmigen Leiter in Draufsicht, der ähnlich
aufgebaut ist wie der Leiter nach Fig. 4. Jedoch ist anstelle des kupferkaschierten
Bandes 34 zunächst eine Umwicklung aus Kupferbändern 37 und darüber.eine gegensinnig
gewickelte Umwicklung aus isolierenden Bändern 38 vorgesehen. Als Kühlkanäle wirken
neben den Rillen 36 in der Oberfläche der Einzelleiter 30 auch die Zwischenräume
zwischen den nebeneinanderliegenden Ulindungen der Kupferbänder. Das isolierende
Band 38 soll breiter sein als die Kupferbänder .37, damit es sich nicht in die freien
Räume zwischen den Kupferbändern legt. Da die Einzel- . leiten des bandförmigen
Leiters nach Fig. 5 mechanisch bereits durch das Kupferband 37 zusammengehaltert
werden, kann anstelle des Bandes 38 als Isolation auch ein in der Spulenwicklung
zur Breitseite des bandförmigen Leiters parallelgeführtes isolierendes Band wie
bei der Wicklung nach fig. 1 vorgesehen werden.
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Auch bei dem in Fig. 6 dargestellten bandförmigen Leiter bestehen
die beiden äußeren Schichten aus nebeneinanderliegenden bandförmigen Leitern 40,
die eingelagerte supraleitende Drähte 41 enthalten und an ihrer dem isolierenden
Band 42 zugewandten Gberfläche mit Querrillen 43 versehen sind. Zwischen die Einzelleiter
40 und das mittlere armierende Band 44 sind Kupferfolien 45 eingelegt, die eine
elektrisch gut leitende Querverbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Einzelleitern
40 bewirken
und die an ihrer Oberfläche mit Stegen 46 versehen sind..
Als
Stege können beispielsweise Küpfe rdrähte dienen, die auf die
bandförmigen Kupferfolien 45 aufgelötet sind. Beim Verbiegen des bandförmigen Leiters
zur Herstellung der Spulenwicklung können sich, wie auch bei den in den anderen
Figuren dargestellten Leitern, die einzelnen Elemente des bandförmigen Leiters gegeneinander._verechieben,.sö
daƒ die mechanische Beanspruchung der Leiterelemente beim Wickeln der Spule
stark , herabgesetzt wird.
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Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines bandförmigen Leiters
für die 'i'Jicklung einer Spule gemäß der Erfindung. Die beiden äußeren Schichten
des Leiters bestehen aus nebeneina4derliegenden litzenförmigen Einzelleitern 50.
Diese litzenförmigen Leiter bestehen wiederum aus supraleitenden, mit Überzügen
aus elektrisch normalleitendem Metall versehenen Drähten, die miteinander verseift
sind. Ferner können die Einzelleiter 50 zusätzliche, ebenfalls mitverseilte Drähte
aus gut elektrisch normalleitendem Metall enthalten, durch welche die elektrische
Stabilisierung verbessert wird. Zwischen den nebeneinanderliegenden litzenförmigen
Leitern 50 und dem die mittlere Schicht des bandförmigen Leiters bildenden Armierungsband
51 sind bandförmige Kupferfolien 52 eingelegt, die eine gUt elektrisch leitende
Querverbindung zwischen den Leitern 50 bewirken. Als Isolation ist eine Umwicklung
aug einem iso-
lierenden Band 53 vorgesehen. Die Kühlkan4le werden bei
dieser
Ausführungsform duroh die freien Zwicke. zwischen den. litzenförmigen
Leitern 50 und zwischen den versailten Drähten der Leiter 50 gebildet. Zusätzlich
kann das kolierende Hand 53
ähnlien wie in@Fig. 3 mit Rillen versehen
sein. Anstelle der elektr-sch gut leitenden Folien 52 kann beispielsweise
auch an der Innenseite des Bandes 53 eine Kupferkaschierung vorgesehen sein.
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Fig. 8 zeigt ein Teilstück eines bandförmigen Leiters, der im wesentlichen
gleichartig wie der in Fig. ? dargestellte Leiter aufgebaut ist. Anstelle
der bandförmigen Kupferfolien 52 sind jedoch zwischen den litzenförmigen Einzelleitern
50 und der Armierung 51 Kupferbänder 54 vorgesehen, die um das armierende
Band 51 gewickelt sind. Durch die freien Räume zwischen den Rändern der nebeneinanderliegenden
Windungen der Bänder 54 werden Kühlkanäle zwischen den äußeren aus den litzenförmigen
Leitern 50 bestehenden Schichten des bandförmigen Leiters und der dazwischenliegenden
Armierung 51 gebildet. Auch bei den in den Figuren 2a bis S dargestellten Ausführungsformen
des bandförmigen Leiters können derartige Bänder um das armierende Band gewickelt
sein, so daB Kühlkanäle zwischen den beiden äußeren Schichten und der mittleren
Schicht der bandförmigen Leiter entstehen.