DE2104600C3

DE2104600C3 - Elektrischer Leiter für supraleitende Wicklungen oder Schaltstrecken, und Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiters

Info

Publication number: DE2104600C3
Application number: DE2104600A
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: 1973-09-13
Also published as: US3764725A; DE2104600B2; DE2104600A1; GB1376847A; FR2124962A5

Description

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

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

c) Der Leiter besteht aus einem verdrillten Viclfaehseil, wobei jedes I'eilseil aus einlagigen verdrillten Adern oder Teilseilen besteht.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter für supraleitende Wicklungen oder Schaltstrecken, mit einer Anzahl von dünnen Adern aus Supraleitertnaterial, die durch eine Umhüllung aus Glas elektrisch voneinander isoliert sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiters.

Bekanntlich entstehen in Supraleitern bei Änderungen eines den Leiter durchfließenden Stromes oder eines auf den Leiter einwirkenden magnetischen Feldes Verluste. Zu diesen Verlusten gehören die gewöhnlichen Hysterese-Verluste, die der zeitlichen Änderung des Magnetfeldes (J3) und dem Durchmesser des Supraleiters proportional sind. Bei Leitern, die auch normallcitendes Metall enthalten, treten fer-Bisher war es sehr schwierig, die für solche Leite: oder Leiterscile erforderlichen dünnen, isolierter Adern aus Supraleitermaleiial herzustellen. Es is zwar aus der deutschen Offenlegungsschrif 2 023 505 bekannt, dünne supraleitende Fäden mi einer Dicke von etwa i bis 5 μΐη dadurch her/ustel len, daß man einen Kern aus dem Supralcitermateiia mit einem plastisch verformbaren Material umgibl das möglichst ähnliche Verarbeitungseigenschaftc haben soll wie der Kern, und dann den umhüllte Kern verformt, bis der gewünschte Durchmesser ei reicht ist. Das umhüllende Material kann z.B. ei Glas oder ein kristallines Polymer mit einem Kristal schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt des Kerne sein.

In der Praxis hat sich die Durchführung diest Verfahrens, das auf dem Prinzip der Herstellung di seit langem bekannten Wollaston-Drähte beruht, a sehr schwierig erwiesen, da die Querschnittsverring rung des mit dem plastisch verformbaren Materi umhüllten Kernes aus dem Supraleitermaterial dun

Schmieden. Ziehen u.dgl. mit außerordentlicher Single'! vorgenommen werden muß. wenn man längere, kontinuierliche Adern erhallen will.

De: \ inliegenden Kifindung liegt dementsprechend die Aulj'abe zugrunde, einen elektrischen leiter für supraleitende Wicklungen oder Schaltstrecken, dei mlh durch niedrige Verluste bei zeitlich veränderlichen Strömen oder Magnetfeldern auszeichnet, anzusehen. der einfach und wirisdiafllich hergestellt werden kaim.

Gemäß der Lrfindung wird diese Aufgabe dadurch. iielöst. iliiß der Schmelzpunk' des SupraleitermateriaK jeder Ader unter dem I «veiehungspimkt des die Ader in Form einer Kapillare umhüllenden Glases

hin besoiv.ug.tcs Verfahren /um Herstellen eines viiklvii Leiters beMdU darm, daß ein Glasruhr mit pe^hm.>l/enem Supraleiter material gelullt, minde Men«- an einem Ende abgeschmol/en. an dit-em linde au! di·: Lr.setchiiugsteinjieratur des Glases erwärmt ur„! zu einem feinen Faden ausiv/ouen wird. Die so !,er.'csicllien dünnen I eilcradem weiden dann /u einem elektrischen Leiterseil. das z.B. einen runden Oiiei-chiiitt haben oder bandförmig ausgebildet sein !,.,-ι,, im üblicher Weise wviierverarbeitet.'

Du e'fndumjsgemäßen Leiter zeichnen sieh bei \ers\ciuiung mit sich ändernden Sliomcn (Wechsel μ:,»men. pulsierenden Strumen) und Mamieifeldern düich besonders niedrige H>steresc-Verluste aus. Ii.ie kritische Feldstärke ist im wesentlichen durch ,1,- rrwendete Supraleitermaterial beschrankt, da b·■ den erreichbaren Kapülardurchmessern Grenz- « ί,Η-hieffekte noch keine wesentiiehe Rolle spielen. Su- eignen sich ausgezeichnet für Schaltelemente (KrvotVim-l. die mit Steuerfeidsiärken unter 2OkOe mi«! η Man kann die SteuciMder demcnlsprechciid in Maenctkreise mit liisenkerncn lührcn und für Staiksircnnkryotrons \erwen.lcn. wie sie bei-Miielsweise /-»r Konstruktion einer kommutatorloscn

Gleiclistroiiimascnine naen der scnweizeriscnen i'ateiitvhrilt 461 654 notwendig sind. Auch lür supraleitende Gleichrichter. Schrü/schalier und WickluT'skLir/schlieL'.c! sind die erfinduiiüsgemäßeii Supraleiter v.>n Bedeutung und den bisher Ivkannten I eitern durch ihre Verlustarmut überlegen. Bei Siaikstroni-Kryotrons bietet die Füllung der Kapillaren mit reinem oder niedrig legiertem Blei den Vorteil einer besonders geringen Steuufeldslärke.

Jei Wechselstromkabeln bietet der erfindungsgemäße Supraleiter in Form von geflochtenen Bändern auf Trägern, die konzentrische Hohlleiter bilden, gegenüber weichen Supraleilerschichten den Vorteil, daß die magnetische Oberflächen-Feldstärke und die Flächenslromdiehie höher gewählt werden können, wodurch MCh der Kabeldurchmesser und die Wärmecinströmung von außen vermindern.

Wcilcrbifdungen und Ausgestaltungen der Erfindune sind in den Unleransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, es _zei„_t

" Fi» 1 eine schematische Darstellung der Hcrstelhing einer isolierten Ader für einen elektrischen Leitereemäß der E-iindung,

Fiu ■> eine Seitenansicht zweier Lagen einer aufgeschnittenen mehrlagigen Wicklung aus einem elekfrischen L eiter gemäß einem Ausfülirungsbeispiel der Erfindung

F i g. .ΐ einen Ouerschniu uurch einen I eil dei Wicklung gemäß Ki μ. -.

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen von einer 1 HiIIe^ umgebenen elektrischen Leiter gemäß einem ·ϊ anderen Aiislühruiigsbeispiel der Lrtiiidung u!ui ^

i i u. 5 einen Querschnitt durch den Leiter llt.mL. K i g. 4.

K i g. I zeigt schematisch das Herstellen eines dun- :wn isolierten Drahtes, der für die Adern oder HIa-.. menle eines elektrischen Leiters gemäß der Lmndung verwendet werden kann. Hei der Herstellung solcher dünnen Adern geht man von einem Glasrohr aus. das mit einem bei tiefen Temperaturen supralei-(enden Material gefüllt wird, dessen Sehmelzpunk! niedriger liegt als die Lrweiehungslemperatur ties Glases, aus dem das Glasrohr besteht. Als Supraleitermaterial eignen sich /.H Metalle, wie .>lei. Ua-ein weicher Supraleiter ' ■:. oder Legierungen, wie Hlci-Wismul-Legieruugeii di· harte Supraleiter ik;r-

=o stellen.

Das mit dem Supralcitermaterial 10 gelullte G asrohr 12 wird dann bis zum Lrsveichen erwärmt und /ti einem möglichst dünnen Faden ausgezogen, Hierzu kann man beispielsweise das gefüllte Glasrohr I-durch einen elektrischen Rohrofen 14 oder durch eine Kolge von ringförmigen Brennern lauten lassen, wie es in Fig.! dargestellt ist. Der ausgezogene dünne Faden, bei dem das Verhältnis von Durchmesscr des Metallkerns zur Dicke der Glaswand praktisch das deiche ist wie bei dem ursprünglichen gefüllten Roh. 10. 12, wird aut eine Vorratsspule 10 auf»espult. V₁₁ !e solcher dünnen Drahte werden dann zu einer Litze verflochten oder zu einem transponierten Mehrfachseil oder einem geiiocmenen nanu verarbeitet. Bei Verwendung mehr^er Apparaturen der in Fig. I dargestellten Art. kann die Verseilung ohne vorheriges Autspulen erfolgen.

Die erhaltenen Seile oder Bander enthalten ream viel Zwischenraum zwischen den einzelnen Adern

. ... L-:m..„„ ;.„ R,.-ri.-h mit K mMitiiI».·!

/. ß. flüssigem oder übcrk:itischem Helium gelull wird. Bei Dauerbetrieb kann dabei das Kuhlmittel ständig ausgewechselt und rucktekuhlt werden. ^ Da die Gefahr besteht, daß sich die emzemen Adern des elektrischen Leiters unter dem hinMuli der sich ändernden magnetischen Kräfte gegenemandei bewegen und Reibungswarme erzeugen ist es_ unter Umständen zweckmäßig, die einzelnen Adern in Uezug aufeinander festzulegen. Dies kann ohne nen-

nenswerte Beeinträchtigung der Kühlung aut toi- »ende Weise erfolgen:

Bei der Verarbeitung der dünnen Drahte zu einem Seil oder Band werden Fäden oder Bander aus einem entfernbaren Stoff eingearbeitet. Der entterntiaic S'off kann z.B. leicht schmelzbar, thermisch oder chemisch zersetzbar oder in einem Lösungsmittel losbar sein, das die dünnen Dn-hte des Leiters nicht angreift. Bei der Herstellung einer Wicklung können dann ebenfalls Fäden oder Bänder aus einem solchen Material eingearbeitet werden. Die fertige Anordnung, z. B. eine Spule oder Wicklung, wird dann mit Gießharz, z. B. einem Epoxyharz, getränkt, und anschließend wird der entfernbare Stoff aul eine Weise entfernt, die das Gießharz und die Wicklung nicht 65 beuni nichtigen. z.B. durch Erwarmen oder■Herauslosen. Dabei entstehen dann zusammenhangende Hohlräume, durch die das Kühlmittel eindringen ^kam- ^Dic S^anzc 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 Glaskapillarc, die mit einem Supralcitermatcrial gefüllt ist. In die Leiterseile sind Fäden aus entfernbarem Material cingeflochten, die in Fig. 3 schwarz dargestellt sind. Die einzelnen Leiterscile sind mit Bändern 22 aus entfernbarem Material umwickelt. Die Lagenisolation 24 ist entsprechend aufgebaut. Wenn eine Wicklung der in Fi g. 2 und 3 dargestellten Art mit einem nicht dargestellten Gießharz vergossen und die cntfcrnbaren Fäden und Bänder entfernt werden, verbleiben an den in Fi g. 3 im Querschnitt schwarz bezeichneten Stellen Hohlräume, durch die das Kühlmittel fließen kann.

Eine andere Möglichkeit, eine gegenseitige Bewegung der feinen Drähte des elektrischen Leiters gemäß der Erfindung wcitestgehcnd zu verhindern, besteht darin, die aus den feinen Drähten gebildeten Seile oder Bänder in axialen Abständen mit einem kncibarcn oder sehr läiiffUssigen, erhärtenden Stoff, also z.B. einem Kitt oder einem zähflüssigen Gießharz, zu füllen, während in den Lücken dazwischen 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 Lciterscils 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. Gcwünsehtcnfalls 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 Voricil auch bei Leiterscilen, die andere Adern als die hier beschriebenen enthalten, angewendet werden.

Die Verbindung der erfindungsgemäßen elektrischen Leiter mit gleichartigen Leitern oder anderen Arten von Supraleitern oder normallcitenden Zuleitungen kann dadurch erfolgen, daß das Seil oder Band über eine gewisse Strecke in die einzelnen Kapillaren zerlegt und dort die Glashüllen, z. B. durch Ultraschall, zertrümmert und entfernt werden. Die übrigbleibenden supraleitenden Fäden werden dann mit entsprechenden Fäden oder Bändern verlötet. Solche Verbindungsstellen werden zweckmäßig in 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. E1.-S-trisclier Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 \on einer rohrförmigen Hülle derart umgeben sind, daß längs des Leiters freie Kanäle /um Hindurchströmen eines Kühlmittels verbleiben, daß in axialen Abstanden die Zwischenräume zwischen den Adern mit einem verfestigten Material, insbesondere einem Kitt, ausgefüllt sind, während in dei: Zwischenräumen zwischen den verkitteten Stükken (26) Zwischenräume zwischen den Adern vorhanden sind, die ein Eindringen von Kühlmil-

I g. J uPiii 5

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

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

ner Wirbelstromverluste auf, die ß- und dem Quadrat des ganzen Leiterdurchmessers proportional sind. Man hat aus diesem Grunde aus Supraleitermaleria! be-teilende elekirische Leiter für zeitlich veränderücl.e Ströme oder Magnetfelder als sogenannte Mehrkernleiter aufgebaut, die eine Vielzahl \mi in eine Matrix aus normal leitendem Metall eingeschlossene, verdrillte supraleitende Filamente (dünne, fadenartig Drahte) enthalten. 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 de-, elektrischen Stromes (/) proportional sind, wobei / der Snom im ganzen supraleitenden elektrischen Ll-i ter ist. Diese Verluste, die als »Hysterese-Verluste durch das Eigenfdd des Leiters« bezeichnet werden

beruhen auf dem Eindringen des Stromes in die inneren Filamente und können daher nich; durch Verdi·.-hum: der Mehrkernleiler \ ei mindert werden. Sie lassen sidi auch dadurch nicht nennenswert herabsetzen, daß man den elektrischen Leiter aus einer Anzahl von Mehrkernleitern aulbaut, die nach Art einet Hochfrequen/litze verdrillt sind, wie es in der deutschen Offenlegungsschrift 1908 885 vorgeschlagen worden ist. Sie lassen sich jedoch dadurch herabsetzen, daß mau die einzelnen Filamente oder Ad,..η »transponiert«. Transponierung bedeutet, daß die supraleitenden Adern längs des Leiters so geführt sind, daß sie auf eine gewisse Länge jede Lage innerhalb des Leiterquerschniits gleich !ar.;; cir.-'.ehp.icn. Pi·.· Transponieiung kann z.B. durch folgende Methoden erreicht weiden: