DE1639421C - Supraleitende Gleichstromspule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrilft eine supraleitende Gleich- Scheibenspule aus mehreren axial Ubereinanderstromspule großer Feldstärke und Abmessung mit liegenden Teilspulen aufzubauen, wobei jede Teilmindcstens zwei in Reihe geschalteten Scheiben- spule selbst wieder aus wenigstens einem Paar wicklungen, in deren Wicklungsband voneinander parallelgeschalteter und voneinander sowie gegengetrennte, wenigstens an den Spulenenden parallel- 5 über der benachbarten Teilspule isolierter Teilleiter geschaltele fadenförmige supraleitende Adern ein- zu in Wicklungsachsrichtung nebeneinanderliegenden gebettet sind. Scheibenspulenelementen bei gleichzeitiger Auskreu-

KleinereSupraleitungsrnagnetspulen haben üblicher- zung dieser Teilleiter etwa in der Mitte dies; r EIeweise Wicklungen, die aus mehreren Lagen aus mente gewickelt ist, und sämtliche Teilspulen einer supraleitenden Einzelleitern aufgebaut sind. Zur Iso- io Scheibenspulengruppe so in Reihe zusammenzuschal-

lierung der Windungen gegeneinander sind die Einzel- ten, daß für jede Scheibenspulengruppe nach gemein-

leiter mit einer Umhüllung aus Isoliermaterial ver- samem Anschluß der parallelgeschalteten Teilspulen

sehen (Bull. SEV, Bd. 58 [1967], Heft 4, S. 167 bis der obersten Scheibenspule an eine Zuleitung und

181). Zur Erzeugung starker Magnetfelder sind bei ebenso gemeinsamem Anschluß der Teilspulen der

solchen Spulen sehr viele Windungen erforderlich. 15 untersten Scheibenspule an eine Ableitung die einzel-

Be^; supraleitenden Magnetwicklungen mit sehr nen Teilspulen zu einer geschlossenen Schleife derart großer gespeicherter Energie hat man den Wunsch, hintereinander geschaltet sind, daß die vom Sireufluß die Windungszahl unter einer Grenze zu halten, um in den Teiispulen induzierte Spannung in den eindie Spannung zu begrenzen, die beim Auskoppeln ander benachbarten Teilspulen entgegengesetzt geder gespeicherten Energie auf äußere Widerstände, ao richtet ist (deutsche Auslegeschrift 1 141 376).
beispielsweise im Falle einer Transition, entsteht. Das Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei führt zu Erregerstromstärken von mehreren 1000 A. einer supraleitenden Gleichstromspule großer FeId-Die Leiter für so große Stromstärken sind breite stärke und Abmessung mit mindestens zwei in Reihe Bänder aus einem gut leitenden Metall, entweder mit geschalteten Scheibenwicklungen, in deren Wickeiner dünnen Schicht eines harten Supraleiters oder as lungsband voneinander getrennte, wenigstens an den verbunden mit einer Vielzahl von dünnen supra- Spulenenden parallelgeschaltete fadenförmige supraleitenden Drähten (Adern), die alle parallel geschal- leitende Adern eingebettet sind, die beim Auf- und tet sind. Das gutleitende Metallband dient als Stabili- Aberregen störenden Einflüsse des Radialfeldes der sierungslciter bei Flu-Jprüngen im Supraleiter. Um Spule zu vermindern.

große Kühlflächen zu bekommen, wird das Band 30 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

zweckmäßig breit und dünn hergestellt (Bull. SEV, löst, daß die Adern durchgehend gegeneinander iso-

Bd. 58 [1967], Heft 4, S. 167 bis ISl). " liert sind und daß jede durch zwei Adern und deren

Eine so aufgebaute Spule hat jedoch schwer- gemeinsame Anschlußstellen definierte Schleife durch

wiegende Nachteile: Beim Auferregen entstehen be- Vertauschen der Adern in Teilschleifen so unterteilt

trächtliche Verluste durch das Eindringen des 35 ist- daß cine Änderung des magnetischen Flusses,

Magnetfeldes in die breite supraleitende Schicht bzw. welcher eine von der Schleife berandete Fläche

in die von den parallelgeschalteten Einzeldrähten durchsetzt, im wesentlichen keinen induzierten Strom

gebildeten supraleitenden Schleifen. Dadurch wird in der Schleife hervorruft.

viel Kühlmittel, z. B. Helium, verdampft und der Die erfindungsgemäße supraleitende Gleidistrom-

Kühlaufwand beim Auf- und Aberregen sehr groß. 40 spule hat gegenüber den bekannten supraleitenden

Der Nachteil besteht auch darin, daß die Magnet- deichstrcTispuIen insbesondere den Vorteil, daß

feldstärke und die Fcldverteilung einer so aufgebau- Verluste beim Auf- und Aberregen sowie induzierte

ten Wicklung sich noch Tage und Wochen ändert, Ströme in den Leitern, die auch bei konstantem

nachdem ein konstanter Erregerstrom eingestellt Erregerstrom zu Änderungen der Feldstärke und

worden ist. Es ist daher praktisch nicht möglich, in 45 Feldverteilung führen können, weitestgehend ver-

einem größeren Volumen gleichbleibende Feld- mieden werden. Die in den einzelnen Teilschleifen

stärken an verschiedenen Punkten über längere Zeit auftretenden Radialflüsse sind nämlich in bezug auf

einzustellen. Dies ist beispielsweise besonders bei die ganze Schleife entgegengesetzt zueinander gerich-

Blasenkammern sehr störend, wo die Fcldverteilung tet, so daß sich die elektrischen Umfangsspannungcn

im Nutzraum sich während längerer Zeit nicht ändern 50 (Schleifcnspannungen) in den Teilschleifen im wesent-

soll. liehen gegenseitig aufheben.

Es wurden auch schon supraleitende Spulen aus Bei einer Spule mit zwei zu einer radialen Ebene verdrillten, mehradrigen Kabeln gebaut, wobei je- symmetrischen Spulenhälften sind die supraleitenden doch die supraleitenden Adern nicht voneinander Adern des Bandes vorteilhaft an der Symmetrieisoliert waren. Die Adern lagen entweder in dem 33 ebene zwischen den Spulenhälften ohne Vertauschung normallcitendcn Metallband oder waren sogar mit zur nächsten Spulenhälfte weitergeführt. Vorteilhaft einem Weichlot miteinander verschmolzen (Bull. kann auch die sogenannte Doppelecheibenwicklung SEV, Bd. 58 [1967], Heft 4, S. 167 bis 181). Auch angewendet werden. Bei einer solchen aus Doppelbei diesen Spulen treten daher die obengenannten spulen mit je einer Doppelscheibenwicklung zusam-Schwicrigkciten beim Auf- und Aberregen großer 60 mengesetzten Spule ist es sehr günstig, wenn zwi-Spulen mit praktisch unverminderter Stärke auf. sehen benachbarten Doppelspulen zumindest in

Bei normalleilenoen, aus Scheibenspulen aufgebau- einem Teil jeder Spulenhälfte Vertauschungen bzw.

ten Wcchscislrom-Wicklungsanordnungen für Trans- Verkreuzungen der Adern vorgesehen sind. Die er-

formatoren, Drosselspulen u. dgl., bei denen mehrere findungsgemüße Spule erreicht eine hohe Vollendung,

axial libcruiiiHiKkiliegende Scheibenspule!) zu einer 83 wenn das verwendete Band nach Art eines Röbcl-

Sclicibcn.i'iilcnftinpiiL' /icaniiiK-tigL-schiillct sind, ist statics (Schrankstab) aufgebaut ist, so daß sich die

es Iv.rcils liekiiniit, /um Hi-rululi ticken tier durch (Ins Vci (anschlingen der Allem iniKilialb des Halides

StnMiMd hi'rvorni'iufeiH'n /irkiilicrciultii .Sliöme joli und knnlinuicrlkh über die i;an/c Handlange peri-

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odisch wiederholen. Dabei kann beispielsweise auf einen Windungsumfiing wenigstens eine Vertauschung vorgesehen sein.

Die ganze Spule kann in zwei oder mehr geradzahlige Teilwicklungen mit symmetrischer Feldausbildung unterteilt sein. Die gegeneinander isolierten Adern eines Bandes, beispielsweise H)O Stück, können dabei an uui Verbindungsstellen der Teilwicklungen so vertauscht werden, daß durch jede einzelne SchleiFe in der Gesamtspjle 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 Spuls oder auch außerhalb auf Zimmertemperatur vornehmen.

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 VerUuschengs- ao Stellung (Verkreuzung) zweier Adern, kann dabei beispielsweise in der GröCenordnung eines Meiers 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 »5 nennenswerten Magnetfeld durchsetzte Schleife.

An Hand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 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,

Fig. 3a und 3b den Übergang der Adern von einer Scheibenspule zur nächsten gemäß F i g. 2 mit und ohne Vertauschung der Adern des Bandes,

Fig. 4a und 4b den Aufbau eines Bandes mit nach Art des Röbelstabes angeordneten supraleitenden Adern,

F i g. 5 einen Schnitt durch ein Ausfühhingsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spule und

Fig. 6a und 6b das Armierungsband mit Schrägkanälen gemäß F1 g. 5 in Aufsicht und Querschnitt.

F i g. 1 zeigt den mittleren Teil einer Gleithsiromscheibenspule, 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 Ader;» 1 bis m an der Symmetrieebene 18 nicht umgekehrt wird, sondern durch die ganze Spule hindurchlUuft. Die Flußverkettung ist infolgedessen für die A(K.; 1 und die Ader m, die Ader 2 und die Ader ml usw. jeweils gleich groß.

V i g. 2 zeigt eine erfintliingsgcmiiße Olc'u:hstrom-βι htMhonsruilc mit Doppelspulen mit jt; einer Doppelscheibenwicklung. Gleiche Teile sind wie in F i g. I bezeichnet. Die Spulen 11 bis 17 in Fig. 2 können als Teilwicklungen von Doppelscheibenspuleii, zu denen je ein Spulenpaar gehört, angesehen werden. In der Anordnung gemäß Fig. 2 wird die Umkehrung der Lage der Adern, also deren Uberkreuzlegen, in bezug auf das Spuienfeld nicht nur in der Mine der Spule bei der Symmetrieachse 18, sondern auch nach jeder Doppelspule, die aus einer Dnppclscheibei>wicklung besteht, vorgenommen. Die Ungleichheiten der Flußverkettung bzw. der Ausgleich dieser Ungleichheiten entspricht der Anordnung gemäß Fig. 1. Der Übergang von einer Doppelspule zur nächsien am äußeren und inneren Umfang der Spule ist in Fig. 2 mit den Linien 24 und 25 dargestellt und in den Fig. 3a und 3b schematisch herausgezeichnet. Fig. 3a zeigt d^n 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 Fig. 2, ergibt. Fig. 3b zeigt den Fall beim Übergang von der Spule 15 links der Oymmetrieebene 18 zur Spule 16 rechts der Symmetrieebene 18 (entsprechend den Linien 25), wobei die Umkeh.ung durch das piegelbildliche Magnetfeld bei nicht umgekehrter Adern-Reihenfolge erfolgt.

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 UIn, also wegen der Windungszahl η nur gering. Trotzdem kann bei einer Anordnung gemäß Fig. 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 U/a.m, wobei α von dem Verhältnis von Radialzu Gesamtfeld abhängt. Wenn beirpiclsweise m nur n/100 ist, kann die Spannung zwischen den Teilleitern mehrfach so groß sein wie zwischen den Windungen. Das erfordert eine relativ starke Isolation zwischen den Adern. Bei einer großen Anzahl ρ 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 Teillcilern auf unter Ujaiunq. Diese Spannung ist so gering, daß als Isolation der Adern des Bandes in der Regel eine dünne Oxydschicht ausreicht. Bin nach Art des Röbelstabes auf gebautes 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 Fig. 4b gezeigt ist. Fig. 4b 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 Röbelstabes 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 zwi- sehen 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 Röbelstabes. Dadurch erhäft 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 ao Kühlmittelvolumen 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 as können Kräfte ohne weiteres in alle Richtungen übertragen werden.

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 unmagnetischen legierten Stahl, beispielsweise »Remanit« bzw. Titan, zu verwenden.

An !{and 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: Im Beispiel enthält jedes Band achtzig supraleitende Adern 50 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 elwa 0.7-1.6 mm mit abgeschrägten Kanten. Sie ist mit einem, insbesondere nicht vergossenen, Glasfascrliand 54 von 0.1 mm Dicke und etwa 2 mm Breite mit einer Steighöhe von etwa 5 mm umwickelt, so daß elwa 60⁰O der Aderoberfläche unbedeckt von Glasfasern sind. Die Adern sind mil einer Steighöhe von etwa 1 m auf ein Remanitband 60 von etwa 1.2 mm Dicke herumgewickelt. Das Remanitband 60, das in Fi g. da und fib in der Aufsicht und im Querschnitt dargestellt isl. hat auf beiden Seiten eingewalzte, etwas schräg verlaufende Querkanäle 61 von iM\a;i 0.1 mm Tiefe und etwa 5 mm Breite bei elwa 5 mm Abstand. Heim Wickeln können zwischen zwei Windungen gleichartige elwas breitere Rcmanitliiindcr 55 eingelegt werden. Die Bänder 55 dienen ila/.u. den Axialdriick der Adern aufzunehmen und K'ciicr/iilcilcn. Die aus cinci Vielzahl \on Windungen icmiiß Fig. 5 zusammengesetzten Schcibcnspulcn stützen sich im Beispiel auf etwa 2 mm dicke Isolier-Stege 56, die zwischen sich Radialkanäle frei lassen Die Isolierstege 56 übertragen den Axialdruck dei Spulen auf die Bänder 55 und entlasten dadurch die Adern von dem summierten Axialdruck der Teilspulen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßeti Spule besteht darin, daß trotz der gegenseitiger 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 dann blank bleiben. Sind nur relativ kleine Spannungen (in der Größenordnung von mehreren Volt, beim Band nach Art des Röbelstabs) zwischen den einzelnen Adern zu erwarten, so genügt es in der Regel, das die Adern umgebende Stabilisierungsmetsll nur äußerlich zu oxydieren. Die Oxydschicht, die dann das Stabilisierungsmetall ganz umgibt, übernimmt dann die Funktion des Isolators. Eine solche Oxydschicht würde beispielsweise beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zur Isolation vollkommen ausreichen. Dort wurde !ediglich Glasfaserband verwendet, um eine noch bessere Kühlung zu be wirken.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, 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.

2. Supraleitende Gleichstromspule nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Spule mit zwei zu einer radialen Ebene symmetrischen Spulenhälften die supraleitenden Adern des Bandes an der Symmetrieebene zwischen den Spulenhälften ohne Vertauschung zur nächsten Spulenhälfte weitergeführt sind.

3. Supraleitende Gleichstromspule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aus Doppelspulen mit je einer Doppelscheibenwicklung zusammengesetzten Spule zwischen benachbarten Doppelspulen zumindest in einem Teil jeder Spulenhälfte Vertauschungen der Adern des Bandes vorgesehen sind.

4. Supraleitende Glcichstromspule nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Band nach Art eines Röbelstabes (Schränkstab) aufgebaut isl, so daß sich die Vcrtnuschimgcn der Adern innerhalb des Bandes und kontinuierlich über die ganze Handlange periodisch wiederholen.

5. Supraleitende Gleichstramspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schränkstab von Armierungsbändern gehalten ist, die die an den Adern auftretenden radialen und lxialcn Kräfte aufnehmen.

ft. Supraleitende Gleichstromspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Armicrungsliänder mit eingeprägten Kanälen versehen sind, die die Kühlflüssigkeit zu den einzelnen Adern heranführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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