DE2104600B2

DE2104600B2 - Elektrischer leiter fuer supraleitende wicklungen oder schaltstrecken, und verfahren zur herstellung eines solchen leiters

Info

Publication number: DE2104600B2
Application number: DE19712104600
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Ing 8521 Tennenlohe Kafka
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1971-02-01
Filing date: 1971-02-01
Publication date: 1973-02-22
Also published as: DE2104600A1; FR2124962A5; DE2104600C3; US3764725A; GB1376847A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektriien Leiter für supraleitende Wicklungen oder haltstrccken, mit einer Anzahl von dünnen Adern s Supraleitermaterial, die durch eine Umhüllung s Glas elektrisch voneinander isoliert sind, sowie τ Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiters. Bekanntlich entstehen in Supraleitern bei Ändengen eines den Leiter durchfließenden Stromes ler eines auf den Leiter einwirkenden magnetischen >ldes Verluste. Zu diesen Verlusten gehören die geihnlichen Hysterese-Verluste, die der zeitlichen ncierung des Magnetfeldes (B) und dem Durchmesr di,:-i Supraleiters proportional sind. Bei Leitern, e auch normalleitendes Metall enthalten, treten ferner Wirbelstromverluste auf, die Br ^unc* ^dem Quadrat des ganzen Leiterdurchmessers proportional sind. Man hat aus diesem Grunde aus Supraleitermaterial bestehende elektrische Leiter für zeitlich veränderliche Ströme oder Magnetfelder als sogenannte Mehrkernleiter aufgebaut, die eine Vielzahl von in eine Matrix aus normal leitendem Metall eingeschlossene, verdrillte supraleitende Filamente (dünne, fadenartige Drähte) pnthalten. Solche Mehrkernleiter sind wesentlich billiger als Leiterseile, bei denen die einzelnen Adern aus dünnen Supraleiterdrähten bestehen, da es sehr schwierig ist, dünne Drähte aus Supraleitermaterial, z.B. durch Ziehen, herzustellen. Mehrkernleiter weisen aber noch zusätzliche Hysterese-Verluste auf, die der zeitlichen Änderung des elektrischen Stromes (/) proportional sind, wobei / der Strom im ganzen supraleitenden elektrischen Leiter ist. Diese Verluste, die als »Hysterese-Verluste durch das Eigenfeld des Leiters« bezeichnet werden, beruhen auf dem Eindringen des Stromes in die inneren Filament und können daher nicht durch Verdrehung der Mehrkernleiter vermindert werden. Sie lassen sich auch dadurch nicht nennenswert herabsetzen, daß man den elekirischen Leiter aus einer Anzahl von Mehrkernleitern aufbaut, die nach Art einer Hochfrequenzlitze verdrillt sind, wie es in der deutschen Offenlcgungsschrift 1 908 885 vorgescMap.-. worden ist. Sie h ssen sich jedoch dadurch herabsetzen, daß man die einzelnen Filamente oder Adern »transponiert«. Transponierung bedeutet, daß die supraleitenden Adern längs des Leiteis so geführt sind, daß sie auf sine gewisse Länge jede Lage innerhalb des Leiterquerschnitts gleich lang einnehmen. Die Transponierung kann z. B. durch folgende Methoden erreicht werden:

a) durch Flechten der Adern nach Art einer Hochfrequenzlitze. Zum Beispiel: Jeweils drei Adern bilden einen Zopf. Drei solche Zöpfe bilden einen Zopf zweiten Grades usw.

b) Der Leiter besteht aus einem einlagigen verdrillten Seil. Das Seil kann auch ein einlagiges Flachseil sein.

c) Der Leiter besteht aus einem verdrillten Vielfachseil, wobei jedes Teilseil aus einlagigen verdrillten Adern oder Teilseilen besteht.

Bisher war es sehr schwierig, die für solche Leitei oder Leiterseile erforderlichen dünnen, isolierten Adern aus Supraleitermaterial herzustellen. Es isi zwar aus der deutschen Offenlegungsschrifi 2 023 505 bekannt, dünne supraleitende Fäden mil einer Dicke von etwa 1 bis 5 μπα dadurch herzustel len, daß man einen Kern aus dem Supraleitermateria mit einem plastisch verformbaren Material umgibt das möglichst ähnliche Verarbeitungseigenschafter haben soll wie der Kern, und dann den unihüllter Kern verformt, bis der gewünschte Durchmesser er reicht ist. Das umhüllende Material kann z. B. eir Glas oder ein kristallines Polymer mit einem Kristall schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt des Kerne: sein.

In der Praxis hat sich die Durchführung diese: Verfahrens, das auf dem Prinzip der Herstellung de seit langem bekannten Wollaston-Drähte beruht, al: sehr schwierig erwiesen, da die Querschnittsverringe rung des mit dem plastisch verformba^ren Materia umhüllten Kernes aus dem Supraleitermate.rial durct

3 ^f 4

Schmieden, Ziehen u.dgl. mit außerordentlicher Fig.3 einen Querschnitt durch einen Teil der

Sorgfalt vorgenommen werden muß, wenn man lan- Wicklung gemäß F i g. 2,

gere, kontinuierliche Adern erhalten will. F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen von einer

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend Hülle umgebenen elektrischen Leiter gemäß einem

die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter für 5 anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung und

supraleitende Wicklungen cder Schaltstrecken, der F i g. 5 einen Querschnitt durch den Leiter gemäß

sich durch niedrige Verluste bei zeitlich veiänderli- Fig.4.

chen Strömen oder Magnetfeldern auszeichnet, anzu- F i g. 1 zeigt schematisch das Herstellen eines düngeben, der einfach und wirtschaftlich hergestellt wer- nen isolierten Drahtes, der für die Adern oder FiIaden kann. _{10 m}ente eines elektrischen Leiters gemäß der Erfin-Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch dung verwendet werden kann. Bei der Herstellung gelöst, daß der Schmelzpunkt des Supraleitermate- solcher dünnen Adern geht man von einem Glasrohr rials jeder Ader unter dem Erweichungspunkt des die aus, das mit einem bei tiefen Temperaturen supralei-Ader in Form einer Kapillare umhüllenden Glases tenden Material gefüllt wird, dessen Schmelzpunkt Hegt. i₅ niedriger liegt als die Erweichungstemperatur des Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines Glases, aus dem das Glasrohr besteht. Als Suprasrlchen Leiters besteht darin, daß ein Glasrohr mit leitermaterial eignen sich 7. B. Metalle, wie Blei, das geschmolzenem Supraleitermaterial gefüllt, minde- ein weichei Supraleiter ist, odc Legierungen, wie stens an einem Ende abgeschmolzen, an die .em Ende Blei-Wismut-Legierungen, die harte Supraleiter darum die Erweichungstemperatur des Glases erwärmt 20 stellen.

und zu einem feinen Faden ausgezogen wird. Die so Das mit dem Supraleitermaterial 10 gefüllte Glashergestellten dünnen Leiteradern werden dann zu rohr 1"· wird dann bis zum Erweichen erwärmt und zu einem elektrischen Leiterseil, das z. B. einen runden einem möglichst dünnen Faden ausgezogen. Hierzu Querschnitt haben oder bandförmig ausgebildet sein kann man beispielsweise das gefüllte Glasrohr 12 kann, in üblicher Weise weiterverarbeitet. 25 durch einen elektrischen Rohrofen 14 oder durch

Die erfindungsgemäßen Leiter zeichnen sich bei eine Folge von ringförmigen Brennern laufen lassen.

Verwendung mit sich ändernden Strömen (Wechsel- wie es in F i g. 1 dargestellt ist. Der ausgezogene

strömen, pulsierenden Strömen) und Magnetfeldern dünne Faden, bei dem das Verhältnis von Durchmes-

durch besonders niedrige Hysterese-Verluste aus. ser des Metalikerns zur Dicke der Glaswand prak-

Ihie kritische Feldstärke ist im wesentlichen durch 30 tisch das gleiche ist wie bei dem ursprünglichen ge-

cias verwendete Supralcitermaterial beschränkt, da füllten Rohr 10, 12, wird auf eine Vorratsspule 16

bei den erreichbaren Kapillardurchmessern Grenz- aufgespult. Viele solcher dünnen Drähte werden dann

schichteffekte noch keine wesentliche Rolle spielen. zu einer Litze verflochten oder zu einem transpo-

Sie eignen sich ausgezeichnet für Schaltelemente nierten Mchrfachseil oder einem geflochtenen Band

(Kryotrons), die mit Steuerfeldstärken unter 20 kOe 35 verarbeitet. Bei Verwendung mehrerer Apparaturen

arbeiten. rvk.i kann die Steuerfelder dcmentspre- der in Fig. 1 dargestellten Art, kann die Verseilung

chend in Magnetkreise mit Eisenkernen führen und ohne vorheriges Aufspulen erfolgen.

für Starkstromkryotrors verwenden, wie sie bei- Die erhaltenen Seile oder Bänder enthalten relativ

spielsweise zur Konstruktion einer kommutatorlosen viel Zwischenraum zwischen den einzelnen Adern,

Gleichstrommaschine nach der schweizerischen Pa- 40 der zwecks guter Kühlung im Betrieb mit Kühlmittel,

tentschrift 461654 notwendig sind. Auch für supra- z.B. flüssigem oder überkritischem Helium gefüllt

leitende Gleichrichter, Schutzschalter und Wick- wird. Bei Dauerbetrieb kann dabei das Kühlmittel

lungskurzschließer sind die erfindungsgemäßen Su- ständig ausgewechselt und rückgekühlt werden,

praleiter von B^aeutung und den bisher bekannten Da die Gefahr besteht, daß sich die einzelnen

Leitern durch ihre V^rlustarmut überlegen. Bei 45 Adern des elektrischen Leiters unter dem Einfluß der

Starkstrom-Kryotrons bietet die Füllung der Kapilla- sich ändernden magnetischen Kräfte gegeneinander

ren mit reirem oder niedrig legiertem Blei den Vor- bewegen und Reibungswärme erzeugen, ist es unter

teil einer besonders geringen Steuerfeldstärke. Umständen zweckmäßig, die einzelnen Adern in Be-

Bei Wechselstromkabeln bietet der erfindungsgc- zue aufeinander festzulegen Dies kann ohne nenmäße Supraleiter in Form von geflochtenen Bändern 50 ne.swerte Beeinträchtigung der Kühlung auf fol-

auf Trägern, die konzentrische Hohlleiter bilden, ge- gende Weise erfolgen:

genüber weichen Supraleitersciiichten den Vorteil, Bei der Vc:arbeitung der dünnen Drähte zu einem

daß die magnetische Oberflächen-Feldstärke und die Seil oder Band werden Fäden oder Bänder aus einem

Flächenstromdichte höher gewählt werden können, entfernbaren Lioff eingearbeitet. Der entfernbare wodurch sich der Kabeldurchmcsser uml die Wärme- 55 Stoff kann z.B, leicht schmelzbar, thermisch oder

cinströmung von außen vermindern. chemisch zersetzbar oder in einem Lösungsmittel lös-

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin- bar sein, das die dünnen Drähte des Leiters nicht an-

dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. greift. Bei der Herstellung einer Wicklung können

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der dann ebenfalls Fäden oder Bänder aus einem solchen Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, es 60 Material eingearbeitet werden. Die fertige Anord-

zcigt nung, z. B. eine Spule oder Wicklung, wird dann mit

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Herstel- Gießharz, z. B. einem Epoxyharz, getränkt, und an-

lung einer isolierten Ader für einen elektrischen Lei- schließend wird der entfernbare Stoff auf eine Weise

ter gemäß der Erfindung, entfernt, die das Gießharz und die Wicklung nicht

Fig. 2 eine Seitenansicht zweier Lagen einer auf- 65 beci η trächtigen, z.B. durch Erwärmen oder Herausgeschnittenen mehrlagigen Wicklung aus einem elek- lösen. Dabei entstehen dann zusammenhängende frischen Leiter gemäß einem Ausführungsbeispicl der Hohlräume, durch die das Kühlmittel eindringen Erfindung. kann. Die ganze Wicklung bildet jedoch einen festen

Block, in dem die dünnen Drähte (Adern) des Leiters in Bezug aufeinander festgehalten sind.

F i g. 2 und 3 zeigen schematisch einen Längsschnitt bzw. Querschnitt eines Teiles von zwei Lagen einer Wicklung, die auf diesem Prinzip aufgebaut ist. Die geflochtenen elektrischen Leiter gemäß der Erfindung sind mit 18 bis 21 bezeichnet. Sie haben einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt und bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verflochtenen dünnen Drähten in Form einer Glaskapillare, die mit einem Supraleitermaterial gefüllt ist. In die Leiterseile sind Fäden aus entfernbarem Material eingcflochten, die in F i g. 3 schwarz dargestellt sind. Die einzelnen Leiterseile sind mit Bändern 22 aus entfernbarem Material umwickelt. Die Lagenisola- >5 tion 24 ist entsprechend aufgebaut. Wenn eine Wicklung der in F i g. 2 und 3 dargestellten Art mit einem nicht dargestellten Gießharz vergossen und die entfernbaren Fäden und Bänder entfernt werden, verbleiben an den in F i g. 3 im Querschnitt schwarz be- *o zeichneten Stellen Hohlräume, durch die das Kühlmittel fließen kann.

Eine andere Möglichkeit, eine gegenseitige Bewegung der feinen Drähte des elektrischen Leiters gemäß der Erfindung weitestgehend zu verhindern, be- *5 steht darin, die aus den feinen Drähten gebildeten Seile oder Bänder in axialen Abständen mit einem knetbaren oder sehr zähflüssigen, erhärtenden Sioff, also z.B. einem Kitt oder einem zähflüssigen Gießharz, zu füllen, während in den Lücken dazwischen t° die ursprünglichen Hohlräume des im Prinzip recht lockeren Leiterseils frei bleiben. Vorzugsweise wer-

den die Leiterseile dabei mit einer im Querschnitt z.B. quadratischen Hülle umgeben, in der Räume für die Hindurchleitung eines Kühlmittels frei bleiben, wie es in F i g. 4 und 5 dargestellt ist. In F i g. 4 sind mit 26 die mit Kitt gefüllten Bereiche des Leiterseils bezeichnet, das in einer im Querschnitt quadratischen oder rechteckigen Hülle angeordnet ist. In den frei gebliebenen Ecken 30 kann das Kühlmittel durch die Hülle strömen und in den kittfreien Bereichen radial in das Leiterseil eindringen. Der Kitt füllt in den Bereichen 26 dabei selbstverständlich nur das Leiterseil, nicht jedoch die Ecken 30 aus. Gewünschtenfalls können die verkitteten Bereiche durch die an Hand von F i g. 2 und 3 beschriebenen Maßnahmen etwas durchlässig gemacht werden, wie durch die schwarzen Punkte (die Hohlräume darstellen) in F i g. 5 angedeutet ist.

Die oben beschriebenen Maßnahmen zur Festlegung der dünnen Leiter oder Adern können mit Vorteil auch bei Leiterseilen, die andere Adern als die hier beschriebenen enthalten, angewendet werden.

Die Verbindung der erfindungsgemäßen elektrischen Leiter mit gleichartigen Leitern oder anderen Arten von öupraleitern oder normalleitenden Zuleitungen kann dadurch erfolgen, daß das Seil oder Band über eine gewisse Strecke in die einzelnen Kapillaren zerlegt und dort die Glasiiüllen, z.B. durch Ultraschall, zertrümmert und entfernt werden. Die übrigbleibenden supraleitenden Fäden werden danr mit entsprechenden Fäden oder Bändern verlötet Solche Verbindungsstellen weiden zweckmäßig ir einem feldarmen und gut gekühlten Raum angeordnet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Leiter für supraleitende Wicklungen oder Schaltstrecken, mit einer Anzahl von dünnen Adern aus Supraleitermaterial, die durch eine Umhüllung aus Glas elektrisch voneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des Supraleitermaterials (10) jeder Ader unter dem Erweichungspunkt des die Ader in Form einer Kapillare (12) umhüllenden Glases liegt.

2. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermaterial reines Blei ist.

3. Elektrischer Leiter nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeicmet, daß das Supraleitermaterial aus einer Legierung von Blei und Wismut besteht.

4. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch voneinander isolierten Adern von einer rohrförmigen Hülle derart umgeben sind, daß längs des Leiters freie Kanäle zum Hindurchströmen eines Kühlmittels verbleiben, daß in axialen Abständen die Zwischenräume zwischen den Adern mit einem verfestigten Material, insbesondere einem Kitt, ausgefüllt sind, während in den 7'vischenräumen zwischen den ve.kitteten Stiikken (26) Zwischenräume zwischen den Adern vorhanden sind, die ein Eindringen .on Kühlmittel gestatten (F i g. 3 und 5).

5. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leiters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glasrohr (12) mit Supraleiterr^aterial (10) gefüllt, bis zur Erweichung erhitzt und zu einer dünnen, mit dem Supraleitermaterial gefüllten Kapillaren ausgezogen wird und daß dann eine Anzahl solcher Kapillaren so miteinander verflochten oder verdrillt werden, daß auf eint gewisse Länge jede Kapillare jede Lage innerhalb des Leiterquerschnitts gleich lange einnimmt.

6. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leiters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierten Supraleiteradern zusammen mit Fäden oder Bändern verflochten oder verdrillt werden, welche aus einem Material bestehen, das aus dem verfestigten Material unter Bildung zusammenhängender Hohlräume zum Hindurchkiten eines Kühlmittels entfernbar ist.