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Die Erfindung betrifft eine supraleitende Gleichstromspule großer
Feldstärke und Abmessung mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Scheibenwicklungen,
in deren Wicklungsband voneinander getrennte, wenigstens an den Spulenenden parallelgeschaltete
fadenförmige supraleitende Adern eingebettet sind.
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Kleinere Supraleitungsmagneten haben üblicherweise Wicklungen, die
aus mehreren Lagen aus supraleitenden Einzelleitern aufgebaut sind. Zur Isolierung
der Windungen gegeneinander sind die-Einzelleiter mit einer Umhüllung aus Isoliermaterial
versehen (Bull. SEV, Bd. 58 [1967], Heft 4, S.167 bis 181). .Zur Erzeugung stärker
Magnetfelder sind bei solchen Spulen sehr viele Windungen erforderlich.
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Bei supraleitenden Magnetwicklungen mit sehr großer gespeicherter
Energie hat man den Wunsch; die Windungszahl unter. einer Grenze- zu halten, um
die Spannung zu begrenzen, die beim Auskoppeln der gespeicherten Energie auf äußere
Widerstände, beispielsweise-im Falle einer Transition, entsteht. Das führt zu Erregerstromstärken
von mehreren 1000 A. Die Leiter für so große Stromstärken sind breite Bänder aus
einem gut leitenden Metall, entweder mit einer dünnen Schicht eines harten Supraleiters
oder verbunden mit einer Vielzahl von dünnen supraleitenden Drähten (Adern), die
alle parallel geschaltet sind. Das gutleitende Metallband dient als Stabilisierungsleiter
bei Flußsprüngen im Supraleiter. Um große Kühlflächen zu bekommen, wird das Band
zweckmäßig breit und dünn hergestellt (Bull. SEV, Bd. 58 [1967], Heft 4, S. 167
-bis 181). -Eine so aufgebaute Spule hat. jedoch schwer-, wiegende Nachteile: Beim
Auferregen entstehen beträchtliche Verluste durch das Eindringen des Magnetfeldes
in die breite supraleitende Schicht bzw. in die von den parallelgeschalteten Einzeldrähten
gebildeten supraleitenden Schleifen. Dadurch wird viel Kühlmittel, z. B. Helium,
verdampft und der Kühlaufwand beim Auf- und Aberregen sehr groß. Der Nachteil besteht
auch, darin, daß die Magnetfeldstärke und die Feldverteilung einer- so -aufgebauten
Wicklung sich noch Tage und Wochen ändert, nachdem ein konstanter Erregerstrom eingestellt
worden ist. Es ist daher praktisch nicht möglich, in einem größeren Volumen gleichbleibende
Feldstärken an verschiedenen Punkten über längere Zeit einzustellen. Dies ist beispielsweise
besonders bei Blasenkammern sehr-störend, wo die Feldverteilung im Nutzraum sich
während längerer Zeit nicht ändern soll.
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Es wurden auch schon supraleitende Spulen aus verdrillten, mehradrigen
Kabeln gebaut, wobei -jedoch die supraleitenden Adern nicht voneinander isoliert
waren. Die Adern lagen entweder in dem normalleitenden Metallband oder waren sogar
mit einem Weichlot miteinander verschmolzen (Bull. SEV, Bd. 58 [1967], Heft 4, S.
167 bis 181). Auch bei diesen Spulen treten daher die obengenannten Schwierigkeiten
beim Auf- und Aberregen großer Spulen mit praktisch unverminderter Stärke auf.
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Bei normalleitenden, aus Scheibenspulen aufgebauten Wechselstrom-Wicklungsanordnungen
für Transformatoren, Drosselspulen u. dgl., bei denen mehrere axial übereinanderliegende
Scheibenspülen zu einer Scheibenspulengrupe -,zusammengeschaltet sind, ist es bereits
bekannt' zum Herabdrücken der durch das Streufeld hervorgerufenen zirkulierenden
Ströme jede Scheibenspule aus mehreren axial übereinanderliegenden Teilspulen aufzubauen,
wobei jede Teilspule selbst wieder aus wenigstens einem Paar parallelgeschalteter
und voneinander sowie gegenüber der benachbarten Teilspule isolierter Teilleiter
zu in Wicklungsachsrichtung nebeneinanderliegenden Scheibenspulenelementen bei gleichzeitiger
Auskreuzung dieser Teilleiter etwa in der Mitte dieser Elemente gewickelt ist, und
sämtliche Teilspulen einer Scheibenspulengruppe so in Reihe zusammenzuschalten,
daß für jede Scheibenspulengruppe nach gemeinsamem Anschluß der parallelgeschalteten
Teilspulen der obersten Scheibenspule an eine Zuleitung und ebenso gemeinsamem Anschluß
der Teilspulen der untersten Scheibenspule an eine Ableitung die einzelnen Teilspulen
zu einer geschlossenen Schleife derart hintereinander geschaltet sind, daß die vom
Streufluß in den Teilspulen induzierte Spannung in den einander benachbarten Teilspulen
entgegengesetzt gerichtet ist (deutsche Auslegeschrift 1141376).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer supraleitenden
Gleichstromspule großer Feldstärke -und Abmessung mit mindestens zwei in Reihe geschalteten
Scheibenwicklungen, in deren Wicklungsband voneinander getrennte, wenigstens an
den Spulenenden parallelgeschaltete fadenförmige supraleitende Adern eingebettet
sind, die beim Auf- und Aberregen störenden Einflüsse des Radialfeldes der Spule
zu vermindern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,--daß die Adern
durchgehend gegeneinander isoliert sind und daß-jede durch zwei Adern und deren
gemeinsame Anschlußstellen definierte Schleife durch Vertauschen der Adern in Teilschleifen
so unterteilt ist, daß eine Änderung des magnetischen Flusses, welcher eine von
der Schleife berandete Fläche durchsetzt, im wesentlichen keinen induzierten Strom
in der schleife hervorruft: Die erfindungsgemäße, supraleitende Gleichstromspule
-hat gegenüber den bekannten supraleitenden Gleichstromspulen insbesondere den Vorteil,
daß Verluste beim Auf- und Aberregen sowie induzierte Ströme in den Leitern, die
auch bei konstantem Erregerstrom zu Änderungen der Feldstärke und Feldverteilung
führen können, weitestgehend vermieden werden. Die in den einzelnen Teilschleifen
auftretenden Radialflüsse sind nämlich in bezug auf die ganze Schleife entgegengesetzt
zueinander gerichtet, so daß sich die elektrischen Umfangsspannungen (Schleifenspannungen)-in
den Teilschleifen im wesentlichen gegenseitig aufheben.
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Bei einer Spule mit zwei zu einer radialen Ebene symmetrischen Spulenhälften-sind--die-supraleitenden
Adern des Bandes vorteilhaft an der Symmetrieebene zwischen den Spulenhälften ohne
Vertauschung zur nächsten Spulenhälfte weitergeführt. Vorteilhaft kann auch die
sogenannte Doppelscheibenwicklung angewendet werden. Bei. einer solchen aus Doppelspulen
mit je einer Doppelscheibenwicklung zusammengesetzten Spule ist es sehr günstig,
wenn zwischen benachbarten Doppelspulen zumindest in einem Teil jeder Spulenhälfte
Vertauschungen bzw. Verkreuzungen der Adern vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße
Spule erreicht eine hohe Vollendung, wenn das verwendete Band nach Art eines Röbelstabes
(Schränkstab) aufgebaut ist, so daß sich die Vertauschungen der Adern innerhalb
des Bandes und kontinuierlich über die ganze Bandlänge periödisch
wiederholen.
Dabei kann beispielsweise auf einen Windungsumfang wenigstens eine Vertauschungvorgesehen
sein.
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Die ganze Spule kann in zwei oder mehr geradzahlige Teilwicklungen
mit symmetrischer Feldausbildung unterteilt sein. Die gegeneinander isolierten Adern
eines Bandes, beispielsweise 100 Stück, können dabei an den Verbindungsstellen der
Teilwicklungen so vertauscht werden, daß durch jede einzelne Schleife in der Gesamtspule
kein Fluß hindurchtritt, d. h., die Flüsse haben in den Teilwicklungen in Bezug
auf die ganze Schleife entgegengesetzte Richtung. Man kann die Parallelschaltung
der Adern sowohl innerhalb des Kryostaten der Spule oder auch außerhalb auf Zimmertemperatur
vornehmen.
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Die Vertauschung, auch »Verdrillung« genannt, der Einzeladern kann
auch auf kurzer Leiterlänge nach Art eines Röbelstabes erfindungsgemäß vorgesehen
sein. Die Steighöhe der Verdrillung, d. h. die Entfernung von einer bis zur nächsten
Vertauschungsstellung (Verkreuzung) zweier Adern, kann dabei beispielsweise in der
Größenordnung eines Meters gewählt sein. Bei einer Spule von 1 km Leiterlänge nimmt
dann jede Ader in Bezug auf .das Magnetfeld die gleiche Lage ein, und es entsteht
keine von einem nennenswerten Magnetfeld durchsetzte Schleife.
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An Hand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen wird
die Erfindung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 den mittleren Teil einer Spule
mit einer Mehrzahl von einfachen Scheibenwicklungen, F i g. 2 den mittleren Teil
einer Spule mit einer Mehrzahl von Doppelscheibenwicklungen, F i g. 3 a und 3 b
den Übergang der Adern von einer Scheibenspule zur nächsten gemäß F i g. 2 mit und
ohne Vertauschung der Adern des Bandes, F i g. 4 a und 4b den Aufbau eines Bandes
mit nach Art des Röbelstabes angeordneten supraleitenden Adern, -F i g. 5 einen
Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spule und F i g. 6
a und 6 b das Armierungsband mit Schrägkanälen gemäß F i g. 5 in Aufsicht und Querschnitt.
F i g. 1 zeigt den mittleren Teil einer Gleichstromscheibenspule, die aus einer
Mehrzahl von Teil-Scheibenspulen 11 bis 17 aufgebaut ist. Den geradzahligen Teilspulen
wird der Strom außen, den anderen innen zugeführt. Damit ihre Durchflutungen sich
nicht aufheben, sondern verstärken, ist der Wickelsinn in beiden Gruppen entgegengesetzt.
Die Spule hat eine Symmetrieebene 18 und eine Spulenachse 19. Links und rechts von
der Symmetrieebene 18 ist das Magnetfeld spiegelbildlich. Jede der Einzelspulen
11 bis 17 besteht aus einer Vielzahl von Windungen, von denen in F i g. 1 die beiden
unteren mit 20 und 21 und die äußerste mit 23 bezeichnet sind. Jede Windung enthält
m voneinander isolierte Adern, die nebeneinander angeordnet und mit 1, 2, ... m-bezeichnet
sind. Der Ausgleich der verschiedenen Flußverkettungen der Adern, über die ganze
Spule genommen, wird hier dadurch bewirkt, daß die Lage der Adern 1 bis m
an der Symmetrieebene 18 nicht umgekehrt wird, sondern durch die ganze Spule hindurchläuft.
Die Flußverkettung ist infolgedessen für die Ader 1 und die Ader m, die Ader 2 und
die Ader m-1 usw. jeweils gleich groß.
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F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Gleichstromscheibenspule mit
Doppelspulen mit je einer Doppelscheibenwicklung. Gleiche Teile sind wie in F i
g. 1 bezeichnet. Die Spulen 11 bis 17 in F i g. 2 können als Teilwicklungen von
Doppelscheibenspulen, zu denen je ein Spulenpaar gehört, angesehen werden. In der
Anordnung gemäß F i g. 2 wird die Umkehrung der Lage der Adern, also deren überkreuzlegen,
in bezug auf das Spulenfeld nicht nur in der Mitte der Spule bei der Symmetrieachse
18, sondern auch nach jeder Doppelspule, die aus einer Doppelscheibenwicklung besteht,
vorgenommen. Die Ungleichheiten der Flußverkettung bzw. der Ausgleich dieser' Ungleichheiten
entspricht der Anordnung gemäß F i g. 1. Der Übergang von einer Doppelspule zur
nächsten am äußeren und inneren Umfang der Spule ist in F i g. 2 mit den Linien
24 und 25 dargestellt und in den F i g. 3 a und 3 b schematisch herausgezeichnet.
F i g. 3 a zeigt den Fall, bei dem sich eine Umkehrung der Lage der Adern 1 bis
m, z. B. zwischen den Spulen 13 und 14, vgl. Linien 24 in F i g. 2, ergibt. F i
g. 3 b zeigt den Fall beim übergang von der Spule 15 links der Symmetrieebene 18
zur Spule 16 rechts der Symmetrieebene 18 (entsprechend den Linien
25), wobei die Umkehrung durch das spiegelbildliche Magnetfeld bei nicht umgekehrter
Adern-Reihenfolge erfolgt.
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Der Vorteil der Anordnung nach den F i g. 2 und 3 besteht u. a. darin,
daß die Spannung zwischen je zwei Adern beim schnellen Auf- und Aberregen vermindert
wird. Besonders beim Auskoppeln der magnetischen Energie auf äußere Widerstände
bei einer Transition der Spule kann die Klemmenspannung U der Spule Werte von vielen
tausend Volt-erreichen. Bei isolierter Halterung jeder Teilspule ist trotzdem die
Spannung zwischen benachbarten Windungen nur Uln, also wegen der Windungszahl
n nur gering. Trotzdem kann bei einer Anordnung gemäß F i g. 1 die Spannung
zwischen den Adern, z. B. zwischen den Adern 1 und 2, in der Mitte der Gesamtspule
größer als die Windungsspannung sein. Sie ist Ula. m, wobei a von
dem Verhältnis von Radialzu Gesamtfeld abhängt. Wenn beispielsweise m nur n/100
ist, kann die Spannung zwischen den Teil= Leitern mehrfach so groß sein wie zwischen
den-Windungen. Das erfordert eine relativ starke Isolation zwischen den Adern. Bei
einer großen Anzahl p von Teilleitern verringert sich dagegen bei der Anordnung
gemäß F i g. 2, und 3 -die Spannung zwischen den Adern auf den Wert Ulamp, so daß
man mit einer dünneren Isolation für die Adern auskommt: Am stärksten wird die Spannung
zwischen den Adern eines Bandes herabgesetzt, wenn man eine Verdrillung (kreuzweise
Vertauschung) der Adern auf einer relativ kurzen Schlaglänge nach Art eines Röbelstabes
vorsieht. Enthält dann beispielsweise jede Windung q Schlaglängen, so sinkt die
Spannung zwischen benachbarten Teilleitern auf unter Ulanmq. Diese Spannung ist
so gering, daß als Isolation der Adern des Bandes in der Regel eine dünne Oxydschicht
ausreicht. Ein nach Art des Röbelstabes aufgebautes Band ist in den F i g. 4 a und
.4 b schematisch dargestellt. Die innerhalb des Bandes im Zick-Zack von einem Längsrand
des Bandes zum anderen Längsrand verlaufenden supraleitenden -Adern 40 sind beispielsweise
auf ein Tragband 41 gelegt, -das im Schnitt in F -i g. 4 b gezeigt ist. F i g. 4
b- ist ein Schnitt beispielsweise längs der Linie A-B von F i g. 4 a. Das Tragband
40 kann beispielsweise aus Stahl bestehen. -
Eine besonders
zweckmäßige erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, wenn das Band für eine Gleichstromscheibenspule
nach Art eines armierten Röbel, Stabes ausgebildet ist: Die Umhüllung einzelner
Drähte aus supraleitendem Material, beispielsweise Nb Zr mit einem Stabilisierungsmetall,
ist technisch einfacher und weniger aufwendig auszuführen als das Einbetten einer
Vielzahl von supraleitenden Drähten in einem einzigen breiten Kupfer- oder Aluminiumband,
wenn auf eine möglichst gute Verbindung zwischen Supraleiter und Stabilisierungsmetall
Wert gelegt wird. Verwendet man einen solchen unterteilten Stabilisierungsleiter,
so erfordert es kaum Mehrarbeit, die einzelnen Adern zu verdrillen, und zwar bei
einem flachen Leiter nach Art eines Röbefstabes. Dadurch erhält man den wesentlichen
Vorteil geringer Auferregungsverluste und einer zeitlich stabilen Feldverteilung.
Die Unterteilung der einzelnen Adern erlaubt weiterhin eine Vergrößerung der Kühloberfläche
zum Kühlmittel, z. B. Helium, ohne das KübImittelvolumen nennenswert vergrößern
zu müssen. Es ist dabei günstig, die einzelnen Adern mit einem Glasfaserband zu
umwickeln. Auf diese Weise kann das flüssige Kühlmittel auch zwischen die nebeneinanderliegenden
Adern eindringen und gleichzeitig können Kräfte ohne weiteres in alle Richtungen
übertragen werden.
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Als Stabilisierungsleiter kann beispielsweise Kupfer oder Aluminium
verwendet werden. Aluminium ist günstig, da es billig ist und sich leicht um Supraleiter
herumpressen läßt. Es ist dann zweckmäßig, als Armierungsband eine Aluminiumlegierung
hoher Zugfestigkeit und eines großen. Elastizitätsmoduls zu verwenden. Diese Aluminiumlegierung
sollte auch eine thermische Dehnung besitzen, die nicht allzu sehr von der des reinen
Aluminiums abweicht. Bei Verwendung von Kupfer zur Stabilisierung ist es zweckmäßig;
zur Armierung einen. ummagnetischen legierten Stahl`, beispielsweise »Reianit<c
bzw. Titan, zu verwenden.
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An Hand der F i g. 5 sowie 6 a und 6 wird der Aufbau einer erfindungsgemäßen
Spule mit einem nach Art des Röbelstabes aufgebauten Band beschrieben: Ina Beispiel
enthält jedes Band achtzig supraleitende Adern 54 aus Niob-Zirkon 33-Draht
von 0,25 mm Durchmesser. In F i g. 5 sind zwei Einzelleiter 51 und 52 im Schnitt
dargestellt. Die Spulenachse verläuft parallel zur Linie 57. Die Adern.
50 sind dabei von einem Kupfermantel 53. von etwa 1 mm2 Querschnitt umgeben.
Jede Kupferader hat einen Querschnitt von etwa O;7.1,6 mm mit abgeschrägten Kanten.
Sie ist mit einem, insbesondere nicht vergossenen, Glasfaserband 54 von 0,1 mm Dicke
und etwa 2 mm Breite mit einer Steighöhe von etwa 5: mm umwickelt; so daß etwa 60
O% der Aderoberfläche unbedeckt von Glasfasern sind. Die Adern sind mit einer Steighöhe
von etwa 1 m auf ein Remanitband 60 von etwa 1,2 mm Dicke herumgewickelt. Das Remanitband
60, das in F i g. 6 a und 6.b in der Aufsicht und im Querschnitt dargestellt ist,
hat auf beiden Seiten eiregewalzte, etwas schräg verlaufende Querkanäle 61 von etwa
0,1 mm Tiefe und etwa 5 mm Breite bei etwa 5 mm Abstand'. Beim Wickeln. können zwischen
zwei Windungen gleichartige etwas breitere Remanitbänder 55 eingelegt werden. Die
Bänder 55. dienen dazu, den Axialdruck der Adern aufzunehmen und weiterzuleiten.
Die aus einer Vielzahl von. Windungen gemäß F i g. 5 zusammengesetzten Scheibenspulen
stützen sieh im Beispiel auf etwa 2 mm dicke Isolierstege 56, die zwischen sich
Radialkanäle frei lassen. Die Isolierstege 56 übertragen den Axialdruck der Spulen
auf die Bänder 55 und entlasten dadurch die Adern von dem summierten Axialdruck
der Teilspulen.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Spule besteht darin,
daß trotz der gegenseitigen Isolation der Adern des Bandes keine nennenswerte Änderung
der freien Oberfläche des Bandes, d. h. keine Verschlechterung der Kühlmöglichkeit
des Bandes in Kauf genommen werden muß. Sind relativ große Spannungen in der Größenordnung.
von mehreren Volt zwischen den Adern eines Bandes zu erwarten, so ist es zweckmäßig,
zwischen die von Stabilisierungsmetall umgebenen Adern Isolatoren zu setzen, Die
übrige Oberfläche des Stabilisierungsmetalls kann dang blank bleiben. Sind nur relativ
kleine Spannungen, (in der Größenordnung von mehreren Volt; beim Band nach Art des
Röbelstabs) zwischen den einzelner< Adern zu erwarten, so genügt es in. der Regel,
das die Adern umgebende Stabilisierungsmetall nur äußerlich zu oxydieren. Die Oxydschicht,
die dann, das. Stabilisierungsmetall ganz umgibt, übernimmt - dang die Funktion
des Isolators. Eine solche Oxydschicht würde beispielsweise beim Ausführungsbeispiel
gemäß F i g. 5 zur Isolation vollkommen ausreicheß,Dort wurde lediglich Glasfaserband
verwendet, um eine noch bessere Kühlung zu bewirken.