DE2208812A1 - Superconducting cables and methods of making the same - Google Patents
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Description
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DR. HANS ULRICH MAYDR. HANS ULRICH MAY
S 4436.3 PGS 4436.3 PG
München, den 24. Feb. 1972Munich, Feb. 24, 1972
CP 414/1042 Dr.H/rtCP 414/1042 Dr.H / rt
Commissariat ä I1Energie Atomique, Paris, Frankreich Supraleiterkabel und Verfahren zur Herstellung derselbenCommissariat ä I 1 Energie Atomique, Paris, France Superconducting cables and process for their manufacture
Die Erfindung betrifft Supraleiterkabel für hohe Stromstärken, die für einen Betrieb in Gegenwart gleichbleibender oder veränderlicher Magnetfelder bestimmt sind und geringere elektrische Energieverluste und eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Kabel.The invention relates to superconducting cables for high currents, which are designed to operate in the presence of constant or variable Magnetic fields are determined and have lower electrical energy losses and higher mechanical strength, and a method for making such cables.
Bekanntlich müssen die supraleitenden Magnete von mit gepulstem Strom gespeisten Synchrotronen insbesondere mit Hilfe von Supraleiterkabeln hergestellt werden, die einen Strom von einigen tausend Ampere transportieren können, wobei diese hohen Stromstärken benutzt werden, um die Spannung an den Klemmen dieser Magnete auf einen annehmbaren Wert begrenzen zu können. In diesen Supraleiterspulen treten nun Energieverluste aus elektromagnetischen Ursachen auf, die sich aus der Veränderung des magnetischen Flusses im Supraleiter ergeben. Es ist ferner bekannt, daii es zur Verringerung dieser Verluste z'j'PckmUflifj int, ^ehr ferne Zupr lieiteradorn in der GrößenordnungIt is well known that the superconducting magnets of synchrotrons fed with pulsed current must be produced in particular with the aid of superconducting cables capable of carrying a current of several thousand amperes, these high currents being used to limit the voltage at the terminals of these magnets to an acceptable value can. In these superconducting coils, there are now energy losses from electromagnetic causes that result from the change in the magnetic flux in the superconductor. It is also known that in order to reduce these losses z'j'PckmUflifj int, ^ more distant Zupr lieiteradorn in the order of magnitude
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von einigen Mikron (um) Durchmesser zu verwenden. Außerdem sind diese Supraleiteradern nicht einzeln ausgebildet, sondern mehrere davon, größenordnungsmaßig einige Hundert, sind gemeinsam in einer Metallmatrix, im allgemeinen aus Kupfer oder Kupfer und Kupronickel, gezogen. Der mittlere spezifische Leitungswiderstand in Längsrichtung des Werkstoffs dieser Matrix ist im allgemeinen gering gewählt, da diese Matrix den Supraleiter für den Stromtransport überbrücken soll, wenn ein örtlicher oder nicht örtlicher Übergang zum Normalzustand auftritt. Die ursprünglich zur Achse der Matrix parallelen Supraleiteradern sind außerdem im Inneren derselben verdrillt, um sie bezüglich des äußeren Magnetfeldes zu versetzen, sodaß jede der Adern nacheinander die Lage der anderen Adern im Kabel einnimmt. Diese Versetzung ist jedoch nicht wirksam bezüglich des Magnetfeldes, das von den von den Supraleiteradern selbst transportierten Strömen erzeugt wird. Dieses Magnetfeld wird als Eigenfeld des aus der Gesamtheit der in der Metallmatrix gemeinsam gezogenen Supraleiteradern gebildeten Leiterelements bezeichnet.Da die Supraleiteradern eines Leiterelements gegeneinander nicht isoliert sind, fließen bei variablem Magnetfeld zwischen diesen Adern Ströme durch die Metallmatrix und innerhalb jedes Gangs der Verdrillung, und diese Ströme erzeugen Verluste, die man verringern, jedoch nicht annulieren kann, indem man die Ganghöhe der Verdrillung für die Supraleiteradern in ihrer Matrix verringert.of a few microns (µm) in diameter. In addition, these superconductor wires are not formed individually, but several of them, on the order of a few hundred, are drawn together in a metal matrix, generally made of copper or copper and cupronickel. The mean specific line resistance in the longitudinal direction of the material of this matrix is generally chosen to be low, since this matrix is intended to bridge the superconductor for the transport of current when a local or non-local transition to the normal state occurs. The superconductor cores, which were originally parallel to the axis of the matrix, are also twisted inside the same in order to offset them with respect to the external magnetic field, so that each of the cores successively takes the position of the other cores in the cable. However, this displacement is not effective with regard to the magnetic field generated by the currents carried by the superconductor cores themselves. This magnetic field is referred to as the inherent field of the conductor element formed from the entirety of the superconductor cores drawn together in the metal matrix. Since the superconductor cores of a conductor element are not insulated from one another, with a variable magnetic field between these cores, currents flow through the metal matrix and within each twist of the twist Currents create losses that can be reduced, but not canceled, by reducing the pitch of the twist for the superconductor wires in their matrix.
Um die Gefahr der Instabilität des Leiterelements sowie die zusätzlichen Verluste zu verringern, die mit der NichtVersetzung der Supraleiteradern bezüglich des Eigenfeldes des Leiterelements zusammenhängen, und um eine genügend geringe Ganghöhe der Verdrillung zu erzeugen, wurde man gezwungen, den Durchmesser der Leiterelemente auf höchstens einige Zehntelmillimeter zu begrenzen. Ein solchesTo the risk of instability of the conductor element as well as the additional To reduce losses associated with the non-dislocation of the superconductor cores with respect to the self-field of the conductor element, and in order to produce a sufficiently small pitch of the twist, one was forced to adjust the diameter of the conductor elements to be limited to a few tenths of a millimeter at most. One such
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Leiterelement kann nur einen Strom von einigen zehn Ampere transportieren. Conductor element can only carry a current of a few tens of amps.
Um daher ein Kabel aufzubauen, das einige tausend Ampere transportieren kann, muß eine bestimmte Zahl dieser Leiterelemente mit einer vollkommenen Versetzung derselben vereinigt werden. Zu diesem Zweck kann die Vereinigung in einer Verflechtung oder bestimmten Verseilungen der Leiterelemente bestehen, wobei die Leiterelemente miteinander so verbunden werden, daß das Auftreten von Verlusten mechanischen Ursprungs infolge der Reibung zwischen Leitern unter der Wirkung gepulster Magnetkräfte vermieden und ein möglichst wenig verformbarer Gesamtleiter hergestellt wird. Dieser Zusammenhalt kann dadurch erhalten werden, daß die Gesamtheit der zuvor elektrisch gegeneinander isolierten Leiterelemente mit einem Isoliermaterial imprägniert wird. Überlegungen zu mechanischen Gesichtspunkten können jedoch beispielsweise dazu führen, einem isolierenden Imprägniermaterial als Bindemittel eine Metallegierung mit genügend tiefem Schmelzpunkt (höchstens 400 0C) von der Art der Legierungen Indium-Zinn, Silber-Zinn, Blei-Zinn, vorzuziehen, um den Supraleiter bei der Zugabe dieses Materials im flüssigen oder pastenformigen Zustand nicht zu beschädigen. Leider kann man jedoch in diesem letzteren Fall die vereinigten Leiterelemente nicht zuvor elektrisch isolieren, da diese Metallegierungen die Isolierbeschichtung von Leiterelementen nicht benetzen und daher nicht an ihr haften. Wenn man dagegen die Leiterelemente nicht isoliert, kann man sie mittels einer Metalllegierung verbinden, jedoch -fließen in diesem Fall Ströme zwischen Leiterelementen durch die Verbindungslegierung hindurch. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Ströme und die dadurchTherefore, in order to build a cable that can carry a few thousand amperes, a certain number of these conductor elements must be combined with a perfect displacement of the same. For this purpose, the union can consist of an interweaving or certain stranding of the conductor elements, the conductor elements being connected to one another in such a way that the occurrence of losses of mechanical origin due to the friction between conductors under the effect of pulsed magnetic forces is avoided and an overall conductor that is as little deformable as possible is produced . This cohesion can be obtained by impregnating the entirety of the conductor elements, which were previously electrically insulated from one another, with an insulating material. Considerations of mechanical aspects can, however, lead, for example, to a metal alloy with a sufficiently low melting point (at most 400 ° C.) of the type of alloys indium-tin, silver-tin, lead-tin, being preferred to an insulating impregnation material as a binder, in order to use the superconductor not to damage the addition of this material in the liquid or pasty state. Unfortunately, however, in this latter case, the combined conductor elements cannot be electrically insulated beforehand, since these metal alloys do not wet the insulating coating of conductor elements and therefore do not adhere to it. If, on the other hand, the conductor elements are not insulated, they can be connected by means of a metal alloy, but in this case currents flow between conductor elements through the connection alloy. It should be noted, however, that these currents and the
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hervorgerufenen Verluste elektrischer Energie umso geringer sind, je kleiner der Gang der Versetzung des Kabels und je höher der spezifische Leitungswiderstand der Verbindungslegierung ist. Die untere Grenze des Ganges der Versetzung der Leiterelemente, die den fertigen Leiter bilden, beträgt jedoch praktisch einige Zentimeter, und der Leitungswiderstand von Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, wie der Legierung Blei-Zinn, Indium-Zinn, übersteigt nicht einige 10 Ohm-Meter bei der Temperatur des flüssigen Heliums. Unter diesen Bedingungen zeigt die Berechnung, daß diese zusätzlichen Verluste bezüglich der im Supraleiter auftretenden Gesamtverluste erheblich sind.Losses of electrical energy caused are the lower, the smaller the gear of the displacement of the cable and the higher the is the specific line resistance of the connecting alloy. The lower limit of the aisle of dislocation of the ladder elements that Forming the finished conductor, however, is practically a few centimeters, and the line resistance of alloys with low Melting point, such as the alloy lead-tin, indium-tin, does not exceed a few 10 ohm-meters at the temperature of the liquid Helium. Under these conditions, the calculation shows that these additional losses with respect to those occurring in the superconductor Overall losses are significant.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Supraleiterkabel zu schaffen, das im Betrieb einem Magnetfeld unterworfen ist und aus einer Anordnung von aus mehreren Adern gebildeten Leiterelementen besteht und in dem die Verluste infolge Kreisströmen erheblich verringert und dessen mechanische Eigenschaften verbessert sind, sowie ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kabels zu schaffen.The invention is now based on the object of a superconductor cable to create, which is subjected to a magnetic field during operation and from an arrangement of conductor elements formed from several wires exists and in which the losses due to circulating currents are significantly reduced and its mechanical properties are improved are, and also to provide a method for manufacturing such a cable.
Das; erfindungsgemäße Supraleiterkabel zeichnet sich dadurch aus, daß es eine Anordnung von Leiterelementen aufweist, die aus mehreren, in eine Matrix aus einem gut leitenden Metall eingebetteten Adereinheiten bestehen und mit einer Hülle aus einem Metall oder einer Metallegierung mit hohem elektrischen Leitungswiderständ beschichtet sind, wobei die Anordnung der Leiterelemente ohne Zwischenschaltung von Isoliermittel mit einer niedrig schmelzenden Metallegierung imprägniert ist.That; Superconducting cable according to the invention is characterized in that it has an arrangement of conductor elements which consist of several core units embedded in a matrix of a highly conductive metal and are coated with a sheath made of a metal or a metal alloy with high electrical conduction resistance, the Arrangement of the conductor elements is impregnated with a low-melting metal alloy without the interposition of insulating means.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daßThe method according to the invention is characterized in that
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das rait seiner Kupfermatrix versehene Leiterelement mit einer Schicht aus einem Metall oder einer Metallegierung mit hohem spezifischem Leitungswiderstand umhüllt wird.the conductor element provided with its copper matrix with a Layer made of a metal or a metal alloy with a high specific line resistance is encased.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further preferred embodiments emerge from the subclaims.
Diese Hülle kann aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehen, die wegen ihres hohen elektrischen Leitungswiderstandes den Widerstand für die ströme, die zwischen den Leiterelementen fließen, erhöht. Zu diesem Zweck wirdThis shell can consist of a metal or a metal alloy, which because of their high electrical resistance, the resistance for the currents between the conductor elements flow increases. To this end, will
das Leiterelement beim Ziehen mit einer Hülle aus einer Legierung, wie einem Kupfer-Nickel oder einem rostfreien Stahl umhüllt, deren Schmelzpunkt und Härte genügend hoch sind, daß sich diese Materialien für den Arbeitsgang des Ziehens eignen, und deren spezifischer Leitungswiderstand über 10 ' Ohm-Meter bei tiefer Temperatur, insbesondere bei der des flüssigen Heliums, liegt. Auf diesen Arbeitsgang folgt die Festlegung (Konsolidierung) des fertigen Leiters, die mit Hilfe einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt vorgenommen wird, die an der das Leiterelement umhüllenden harten Legierung haftet. Nach Fertigstellung des Leiterelements hat die Hülle aus harter Legierung mit hohem elektrischem Leitungswiderstand eine Dicke von einigen zehn Mikron (um ) . Unter diesen Bedingungen sind die zusätzlichen Verluste um einen Faktor von 10, wenn nicht 100, entsprechend dem Wert des spezifischen Widerstands der Legierung oder des gewählten Metalls, verringert. Ein Querschnitt des mit einer harten Legierung mit hohem elektrischem Leitungswiderstand umhüllten Leiterelements ist in der Figur gezeigt. the conductor element when drawn with a sheath made of an alloy, like a copper-nickel or a stainless steel, whose melting point and hardness are high enough that these materials suitable for the drawing process, and their specific line resistance over 10 'ohm meter at low temperature, especially that of liquid helium. This process is followed by the definition (consolidation) of the finished Conductor, which is made with the help of an alloy with a low melting point, attached to the one surrounding the conductor element hard alloy adheres. After completion of the conductor element, the sheath is made of a hard alloy with a high electrical resistance a thickness of several tens of microns (µm). Under these conditions the additional losses are by a factor of 10, if not 100, according to the resistivity value of the alloy or metal chosen. A The cross section of the conductor element sheathed with a hard alloy with high electrical resistance is shown in the figure.
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Im übrigen ermöglicht die Hülle aus harter Legierung oder hartem Metall unabhängig von ihrer Wirkung auf die erwähnten zusätzlichen Verluste eine Erhöhung der Zugfestigkeit des Leiterelements und allgemeiner eine Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck kann die Hülle bei Supraleiterkabeln benutzt werden, deren Leiterelemente mit einem Isoliermittel beschichtet sind und die daher von den erwähnten zusätzlichen Verlusten frei sind, oder bei Supraleiterkabeln, die einem kontinuierlichen Magnetfeld unterworfen sind.In addition, the shell made of hard alloy or hard metal allows regardless of its effect on the mentioned additional Losses cause an increase in the tensile strength of the conductor element and, more generally, an improvement in its mechanical properties. For this purpose, the sheath can be used in superconductor cables, the conductor elements of which are coated with an insulating agent and which are therefore free from the additional losses mentioned, or in the case of superconducting cables which are subjected to a continuous magnetic field are subject.
Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte einzige Figur, die ein Leiterelemer-' im Schnitt zeigt.The invention is illustrated by the following description of a embodiment given as an example only. The description refers to the attached single figure which shows a ladder element- ' shows in section.
Das gezeigte Leiterelement weist mehrere Supraleiteradereinheiten 1, beispielsweise sieben, neunzehn, siebenundzwanzig oder einundsechzig , usw. auf, die von einer Metallmatrix 2 umgeben sind. Die Supraleiteradern können beispielsweise aus einem supraleitenden Material, wie der Legierung Niob-Zirkonium, Niob-Titan oder einer supraleitenden intermetallischen Verbindung, wie Niob-Zinn (Nb„-Sn) bestehen. Die Anordnung der Matrix 2 und der Adereinheiten wird mit einer Metallhülle 3 mit hohem elektrischem Leitungswiderstand und guter mechanischer Festigkeit beschichtet und anschließend im Inneren dieser Metallhülle 3 gemeinsam gezogen. Die Matrix 2 besteht aus einem im Normalzustand gut leitenden Metall und ermöglicht den Stromtransport bei einem örtlichen Übergang (Zusammenbruch) des Supraleiters. Sie kann beispielsweise aus reinem Kupfer bestehen, während die Metallhülle 3 beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder aus Kupfer-Nickel besteht. Die so her-The conductor element shown has several superconductor units 1, for example seven, nineteen, twenty-seven or sixty-one , etc., which are surrounded by a metal matrix 2. The superconductor wires can for example consist of a superconducting Material such as the alloy niobium-zirconium, niobium-titanium or a superconducting intermetallic compound such as niobium-tin (Nb "-Sn) exist. The arrangement of the matrix 2 and the core units is coated with a metal shell 3 with high electrical resistance and good mechanical strength and then drawn together inside this metal shell 3. The matrix 2 consists of a metal that conducts well in the normal state and enables current to be transported in the event of a local transition (collapse) of the superconductor. You can, for example, from consist of pure copper, while the metal shell 3 consists, for example, of stainless steel or of copper-nickel. The so-
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gestellten Leiterelemente werden anschließend durch Verseilen oder Verflechten vereinigt. Im letzteren Fall kann die Anordnung gepreßt werden, um ein flaches Kabel zu erhalten. Das so gebildete Supraleiterkabel wird schließlich mit einer Metallegierung mit niedrigem Schmelzpunkt imprägniert, die an der Metallhülle haftet und so die Spule verfestigt.Provided conductor elements are then united by stranding or braiding. In the latter case, the arrangement be pressed to obtain a flat cable. That so educated Superconductor cable is finally impregnated with a metal alloy with a low melting point that adheres to the metal shell adheres and thus solidifies the coil.
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Claims (5)
einer Anordnung von einem Magnetfeld zu unterwerfenden Leiterelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente mit einer Schicht aus einem Metall oder einer Metallegierung mit hohem spezifischem elektrischem Leitungswiderstand umhüllt werdenr"Inexperienced in manufacturing a superconductor cable made from
consists of an arrangement of conductor elements to be subjected to a magnetic field, characterized in that the conductor elements are sheathed with a layer of a metal or a metal alloy with a high specific electrical conduction resistance
von Leitcrelementen, die von mehreren Adereinheiten (1), die in eine Matrix (2) aus einem gut leitenden Metall eingebettet sind, gebildet und mit einer Hülle (3) aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit hohem spezifischem elektrischem Leitungswiderstand beschichtet sind, wobei die Anordnung der Leiterelemente ohne
Zwischenschaltung von Isoliermittel mit einer niedrig schmelzenden Metallegierung imprägniert ist.2. Superconductor cable, which is produced in particular by the method of claim 1, characterized by an arrangement
of conductive elements, which are formed by several wire units (1) embedded in a matrix (2) made of a highly conductive metal and coated with a sheath (3) made of a metal or a metal alloy with a high specific electrical resistance, the Arrangement of the ladder elements without
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| FR2127168A5 (en) | 1972-10-13 |
| CH548678A (en) | 1974-04-30 |
| GB1338339A (en) | 1973-11-21 |
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