DE2256594C3 - Bandförmiger Leiter mit mehreren Einzelleltern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen bandförmigen Leiter mit mehreren Einzelleitern, die jeweils mehrere Supraleiter enthalten und die auf einer Flachseite eines Armierungsbandes nebeneinander befestigt sind.

Für den Bau von Hochfeldsupraleitungsmagneten müssen die Windungen der Spulen aus Supraleitungsmaterialien hergestellt werden, die beispielsweise mit Stromdichten von zum Teil weit über WA/cm² belastbar sind. Als Materialien kommen hierfür z. B. Niob-Zirkon- oder N iob-Titan-Legierungen sowie Niob-Zinn-Verbindungen in Frage. Leiter aus diesen Supraleitermaterialien besitzen jedoch im normalleitenden Zustand einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand. Ein aus dem reinen Supraleitungsmaterial aufgebauter Magnet kann deshalb durch die entstehende joulesche Wärme zerstört werden, wenn er aus irgendeinem Grund im erregten Zustand an einer Stelle normalleitend wird. Ein vorzeitiges Auftreten normalleitender Bereiche in großen Magneten bewirkt die sogenannte Degradation. Lange Supraleiterstücke können nämlich eine wesentlich geringere kritische Strombelastbarkeit aufweisen als ein kurzes Leiterstück aus dem gleichen Material. Hierfür kommen vor allem makroskopische Flußsprünge in den einzelnen Stücken in Betracht Diese führen dazu, daß zunächst ein kleines Stück eines Leiters und infolge der dort entwickelten Jouleschen Wärme schließlich ein großer Teil der Magnetspule normalleitend wird. Diese Flußsprünge treten statistisch in Erscheinung, und die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens hängt sowohl von der Supraleiterlänge als auch sehr stark von der Stromdichte im Leiter ab. Darüber hinaus hängt ihre Häufigkeit von der Auferregungsgeschwindigkeit ab. Eine weitere Ursache für die Degradation in Magneten ist in der Bewegung oder gar Verformung einzelner Leiter in den Windungen des Magneten aufgrund lokaler mechanischer Spannungsunterschiede zu sehen. Diese Ursachen erklären u. a- warum die Degradation in großen Magnetspulen besonders groß sein kann.

Um einer Zerstörung der Magnetspule vorzubeugen, werden die Hochfeldsupraleiter stabilisiert, beispielsweise mit Kupfer oder Aluminium. Zu diesem Zweck kann man viele dünne supraleitende Drähte in einer Kupfer- oder Aluminiummatrix fest einpacken. Der Querschnitt dieser Matrix ist so groß zu wählen, daß beim Eintreten der Normalleitung der Strom von ihr übernommen werden kann. Die in der Matrix entstehende Jculesche Wärme muß von einem Kühlmittel, vorzugsweise flüssigem oder überkritischem Helium, abgeführt werden. Die Oberflächen der Matrix werden bei der sogenannten Vollstabilisierung so dimensioniert, daß ihre Wärmebelastung gering bleibt und beispielsweise 0,4 Watt pro cm² nicht überschreitet. Eine

«f

derartige Wärmebelastung bewirkt in einem stehenden Kühimittelbad eine noch tragbare Temperaturerhöhung von einigen Zehntel ° K im supraleitenden Material.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 17 65 917 sind bereits bandförmige Leiter bekannt, mit denen Magnetwicklungen für Betriebsströme von mehreren 1000A hergestellt werden können. Diese Leiter bestehen aus mehreren unmittelbar nebeneinander angeoreneten un-j an ihren Flachseiten miteinander verschweißten, stabilisierten Supraleiterbausteinen.

Ein entsprechender bandförmiger Leiter ist auch aus der französischen Patentschrift 15 15919 bekannt. Gemäß einer besonderen Ausführungsform dieses Leiters können seine einzelnen, unmittelbar nebeneinander angeordneten, stabilisierten SupraJeiterbausteine i$ auf einem Armierungsband aus beispielsweise rostfreiem Stahl aufgebracht sein (Fig.6). Mit diesem Armierungsband sollen Deformationen des bandförmigen Leiters verhindert werden.

In einer Spule mit Wicklungen aus den bekannten bandförmigen Leitern werden jedoch bei zeitlichen Änderungen der radialen Komponenten des magnetischen Flusses unerwünschte elektrische Ströme quer zur Längsrichtung der Leiter, sogenannte Querströme induziert. Daraus resultieren Verluste im Leiter und Feldverzerrungen im Nutzvolumen des Magneten, deren örtliche Verteilung und deren zeitliches Abklingen im voraus schwer zu bestimmen sind, insbesondere, wenn die Wicklungen aus vollstabilisierten Supraleitern aufgebaut sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde diese in bandförmigen Leitern in Supraleitungsmagnetspulen auftretenden Querströme zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf einer Flachseite eines Armierungsbandes nebeneinander befestigten Einzelleiter in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.

Mit solchen bandförmigen Leitern können die durch Querströme verursachten Auferregungsverluste in Magnetspulen wesentlich verringert werden. Durch ein Aufschweißen der aus der deutschen Offenlegungsschrift 17 65 917 bekannten Einzelleiter auf Stahlarmierungsbleche in einem vorbestimmten Abstand voneinander erhält man beispielsweise gegenüber einem Direktverschweißen der Einzelleiter eine Erhöhung des Querwiderstandes zwischen den Einzelleitern um einen Faktor größer 10⁴. Als Schweißverfahren ist vorzugsweise Elektronenstrahlschweißen geeignet, mit dem man eine geringe Erwärmung des Einzelleiters und eine saubere Schweißnaht erhält. Durch eine in Längsrichtung in der Mitte der Einzelleiter verlaufende Schweißnaht wird der Einzelleiter mit seinen supraleitenden Adern in Bezug auf die möglichen Querstrombahnen halbiert, so daß sich auch sein Querwiderstand erhöht.

Diese bandförmigen Leiter eignen sich besonders für Wicklungen in großen Supraleitungsmagneten. Dabei können die Wicklungen so ausgeführt sein, daß die bandförmigen Leiter etwa scheibenförmig um die Magnetachse angeordnet sind, d. h., daß die Normalen ihrer Flachseiten Senkrechte zur Magnetachse darstellen. Die Feldstärke in den Magneten nimmt mit dem Abstand von der Magnetachse in radialer Richtung ab, d. h. in den Innenbereichen eines solchen Magneten herrscht eine größere magnetische Feldstärke als in seinen Randzonen. Da bei Supraleitern die maximale Strombelastbarkeit stark von dem auf sie einwirkenden magnetischen Feld abhängt, ist im Innern eines solchen Magneten, wo ein hohes Magnetfeld herrscht, die maximale Strombelastbarkeit des Supraleiters relativ gering. Hingegen nimmt nach den Rar.d/onen des Magneten hin die Magnetfeldstärke ab und damit die Strombelastbarkeit zu.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, bei gleicher Anzahl von supraleitenden Adern in jedem Einzelleiter den Querschnitt an Supraleitungsmaterial diesen Feldstärke- und Strombelastbarkeitsverhältnissen durch die Wahl der entsprechenden Querschnitte der supraleitenden Adern anzupassen. In Zonen mit geringer magnetischer Feldstärke und somit größerer Strombelastbarkeit ist weniger Supraleitungsquerschnitt erforderlich, d. h. die Querschnitte der supraleitenden Adern in den Einzelleitern können kleiner gewählt werden als in Zonen mit höherer magnetischer Feldstärke, wo wegen der geringeren Strombelastbarkeit große Supraleitungs Querschnitte nötig sind. Bei einer solchen Ausführungsform der Wicklungen eines supraleitenden Magneten kann man gegebenenfalls erhebliche Mengen von Supraleitungsmaterial einsparea Ferner kann man auf diese Weise erreichen, daß die kritische Strombelastbarkeit aller Sektionen der Spule gleich ist. so daß man die Einzelleiter ohne Schwierigkeit in Serie schalten kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines bandförmigen Leiters nach der Erfindung besteht darin, daß die /wischen den Einzelleitern liegenden, im allgemeinen wenigstens einige Millimeter breiten Längsrillen zur ( ihrung eines Kühlmittels verwendet werden können Da hierdurch die Einzelleiter von drei Seiten direkt umspült werden können, läßt sich eine gute Kühlung des Supraleitungsmaterials erreichen.

Darüber hinaus läßt sich durch Aussparungen in den Armierungsbändern auch ein Kühlmittelfluß in zu den Flachseiten der bandförmigen Leiter senkrechter Richtung ermöglichen. Die Aussparungen können hierzu vorteilhaft in den Räumen zwischen den Einzelleitern angebracht werden.

Dagegen kann es beim Aufbau eines Supraleitungsmagneten mit einer Anordnung der Flachseiten der bandförmigen Leiter parallel zur Magnetachse zweckmäßig sein, den Abstand der Einzelleiter untereinander klein zu wählen, beispielsweise nur 0,5 mm oder noch geringer. Eine Berührung der Einzelleiter kann dann vorteilhaft durch eine zwischen ihnen angeordnete Isolationsfolie vermieden werden. Hierdurch wird die effektive Stromdichte in den Wicklungen des Magneten entsprechend erhöht, und es bleibt zugleich der große Querwiderstand des gesamten Leiters erhalten.

Für den Bau eines solchen bandförmigen Leiters werden nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung Einzelleiter mit gleichem, rechteckigem Querschnitt aus sauerstofffreiem Kupfer verwendet, die mehrere in das Kupfer eingebettete, unverdrillte supraleitende Drähte enthalten, die aus einer Niob-Titan-Legierung bestehen können. Werden diese Einzelleiter auf dem Armierungsband mittels einer in ihrer Längsrichtung verlaufenden Schweißnaht befestigt, so kann es ausreichend sein, wenn nur jeweils einzelne Abschnitte der Leiter mit der Schweißnaht versehen werden. Der bandförmige Leiter kann deshalb vorteilhaft so ausgebildet sein, daß die Schweißnähte durch unverschweißte Strecken unterbrochen sind. Mit dieser Art der Befestigung erhält man eine entsprechende Verminderung der Fertigungszeit der Leiter.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher

beschrieben. In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine Ausführungsform eines bandförmigen Leiters gemäß der Erfindung schemalisch dargestellt.

Der in F i g. 1 im Querschnitt dargestellte bandförmige Leiter besteht aus vier Einzelleitern 2 bis 5, die jeweils eine Anzahl von supraleitenden Drähten 6 enthalten. Die Einzelleiter sind parallel zueinander angeordnet und durch Längsrillen 12 bis 14 voneinander getrennt auf einem Armierungsband 7 befestigt, vorzugsweise mit diesem verschweißt. Die jeweils in der Mitte der Einzelleiter 2 bis 5 in deren Längsrichtung verlaufenden Schweißnähte sind mit 22 bis 25 bezeichnet. Der Einzelleiter 2 ist mit der Armierung 7 durch eine Schweißnaht 22 verbunden, die von einem auf die untere Flachseite des Armierungsbandes gerichteten Schweißstrahl, vorzugsweise einem Elektronenstrahl, erzeugt ist und deren Schweißzone sich sowohl durch das Armierungsband als auch durch den gesamten bandförmigen Einzelleiter erstreckt. In gleicher Weise ist die Schweißnaht 23 hergestellt. Sie erstreckt sich zwar durch das gesamte Armierungsband, jedoch nur teilweise durch den Einzelleiter 3. Demgegenüber sind die Einzelleiter 4 und 5 von ihren freien Flachseiten aus durch Schweißnähte 24 und 25 an dem Armierungsband 7 befestigt. Die Schweißnaht 24 erstreckt sich durch den Einzelleiter 4 und das gesamte Armierungsband 7, während die Schweißnaht 25 in das Armierungsband 7 nur teilweise eindringt.

Ein bandförmiger Leiter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 kann beispielsweise sieben Einzelleiter 3 mit rechteckigem Querschnitt enthalten, die aus sauerstofffreiem Kupfer bestehen und in denen jeweils 32 parallel zueinander, unverdrillt verlaufende Drähte 6 aus der supraleitenden Niob-Titan-Legierung mit 50 Gewichtsprozent Titan mittels spezieller Kaltverformungs- und Wärmebehandlungsschritte eingebettet sind. Die Einzelleiter sind jeweils 3 mm dick und 8.8 mm breit. Das Querschnittsverhältnis von Kupfer /u eingebetteten Supraleiteradern beträgt 20 :1 (Multicore-Bausteine). Die Einzelleiter sind durch 1 mm breite Längsrillen voneinander getrennt und mit einem 2 mm dicken Armierungsband aus rostfreiem Stahl mittels eines Elektronenstrahls verschweißt Diese Schweißtechnik erlaubt eine innige Verbindung zwischen dem Kupfer der Einzelleiter und dem Metall des Armierungsbandes. Innerhalb der Schweißnaht tritt sogar eine teilweise Durchmischung beider Materialien auf. Die Schweißnähte werden dabei von der freien Flachseite des Armierungsbandes 7 aus erzeugt und durchdringen nach Art der Schweißnaht 23 in F i g. 1 den betreffenden Einzelleiter nur teilweise. Nur 5 bis höchstens 6 der supraleitenden Adern werden durch eine derartig gestaltete Schweißnaht beschädigt was einer Einbuße von weniger als 20% an Supraleitungsquerschnitt entspricht

In der Ausführungsform eines bandförmigen Leiters nach Fig.2 sind vier Einzelleiter 31 bis 34 durch Elektronenstrahlschweißnähte 23 an einem Armierungsband 8 befestigt Die Schweißnähte sind von der freien Flachseite des Armierungsbandes 8 erzeugt und durchdringen die Einzelleiter 31 bis 34 nur teilweise. Die parallel zueinander verlaufenden Einzelleiter sind durch Längsrillen 15 bis 17 getrennt die vorzugsweise mit einem lsolationsmiite! 20 gefüllt sein können. In dem Armierungsbänd 8 sind Aussparungen 18 und 19 vorgesehen, die im allgemeinen zwischen den Schweißnahtlinien 23 liegen, und durch die ein Kühlmittel strömen kann. Durch die Aussparungen 18 und 19 wird somit der gesamte Leiter für Kühlmittel »transparenter«.

Die Längsrillen 15 bis 17 zwischen den Einzelleitern 31 und 34, die einige Millimeter breit sein können.

ic" können bei einer horizontalen Lage der Achse eines mit solchen Einzelleitern ausgestatteten Magneten als Kühlkanäle dienen. Bei einer vertikalen Achslagc können diese Rillen einige zehntel Millimeter schmal gehalten und durch eingelagerte Isolationsmittel 20 vor

• 5 gegenseitigem Berühren gesichert werden. Die Wärmeabfuhr aus diesen Wicklungen kann durch Kühlung der Schmalseiten des bandförmigen Leiters oder durch sogenannte Kanalkühlung dann erfolgen, bei der das Kühlmittel Kanäle durchströmt, die zwischen den Lagen der aus dem bandförmigen Leiter hergestellten Wicklung vorgesehen sind. Die Gestaltung sind Anordnung der Kühlkanäle und Aussparungen wird zweckmäßig so gewählt, daß das Kühlmittel wenigstens etwa 30 % der Gesamtoberfläche des bandförmigen Leiters unmittelbar benetzt. Damit ist eine gute Kühlung des Supraleitermaterials gewährleistet.

Ein bandförmiger Leiter nach der Hrfindung kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß mehrere Einzelleiter in einem gemeinsamen Schweiß-Vorgang mit dem Armierungsband 7 bzw. 8 verbunden werden. Die Schweißnähte der Einzelleiter können dabei durch unverschweißte Strecken unterbrochen und zweckmäßig derart gegeneinander versetzt sein, daß einer unverschweißten Strecke eines Einzelleiters eine verschweißte Strecke des benachbarten Einzelleiters gegenübersteht. Durch geeignete Ablenkung des Elektronenstrahls kann dann erreicht werden, daß der Elektronenstrahl nach Fertigstellung einer Schweißstrecke für einen Einzelleiter auf die zu verschweißende Stelle des benachbarten Leiters überspringt und nach Fertigstellung einer Schweißnahtstrecke für diesen Einzelleiter wieder zu einem weiteren überspringt oder auch zum ersten zurückspringt. Die zur Fertigstellung des bandförmigen Leiters notwendige Schweißzeit kann durch einen solchen Schweißvorgang erheblich verringert werden.

Neben den beschriebenen Einzelleitern aus Kupfer und Niob-Titan-Drähten sind für den bandförmigen Leiter auch Einzelleiter aus anderen elektrisch gut leitenden Metallen, beispielsweise aus Aluminium. geeignet die eingelagerte Supraleiter aus Hochfeldsupraleitermaterial das sind insbesondere Niob-Zirkon- und Niob-Titan-Legierangen sowie Niob-Zmn-Verbindungen, enthalten.

Darüber hinaus können die Einzelleiter mit ihren zugehörenden Armierungsbändern nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorteilhaft durch Kammwalzen geführt werden. Hierdurch lassen sich in einfacher Weise gleichbleibende Abstände zwischen benachbarte ten Einzelleitern einhalten, wobei die Einzelleiter während ihrer Verschweißung mit dem Armierungsband unverrückbar auf das Armierungsbänd gepreßt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Bandförmiger Leiter mit mehreren Einzelleitern, die jeweils mehrere Supraleiter enthalten und die auf einer Flachseite eines Armierungsbandes nebeneinander befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter (2 bis 5 bzw. 31 bis 34) in einem vorbestimmten Abstand (12 bis 14 bzw. 15 bis 17) zueinander angeordnet sind.

Z Bandförmiger Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter (2 bis S bzw. 31 bis 34) aus sauerstofffreiem Kupfer mit eingebetteten Supraleitungsdrähten (6) aus einer Niob-Titan-Legierung bestehen.

3. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprü- »5 ehe ί und 2, dadurch gekennzeichnet daß das Armierungsband (7 bzw. 8) aus rostfreiem Stahl besteht

4. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die *o Einzelleiter (2 bis 5 bzw. 31 bis 34) einen rechteckigen Querschnitt haben und mit ihren Flachseiten am Armierungsband (7 bzw. 8) befestigt sind.

5. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüehe 1 bis 4 zum Aufbau eines Supraleitungsmagneten, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmendem Abstand der Einzelleiter (2 bis 5 bzw. 31 bis 34) von der Magnetachse der Querschnitt an Supraleitungsmaterial in den Einzelleitern abnimmt

6. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume (12 bis 14 bzw. 15 bis 17) zwischen den Einzelleitern (2 bis 5 bzw. 31 bis 34) von einem Kühlmittel durchflossen sind.

7. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume (12 bis 14 bzw. 15 bis 17) zwischen den Einzelleitern (2 bis 5 bzw. 31 bis 34) mit Isolationsmitteln (20) ausgefüllt sind.

8. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter (2 bis 5 bzw. 31 bis 34) durch Elektronenstrahlschweißen am Armierungsband (7 bzw. 8) in Leiterlängsrichtung befestigt sind und die Schweißnähte (22 bis 25) in Ebenen senkrecht zur Flachseite des Armierungsbandes wenigstens annähernd durch die Mittellinien der Berührungsflächen der Einzelleiter verlaufen.

9. Bandförmige Leiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter (2 bis 5 bzw. 31 bis 34 auf dem Armierungsband (7 bzw. 8) mit durchgeschweißten Unternähten (22) und/oder nicht durchgeschweißten Unternähten (23) und/oder durchgeschweißteii Obernähten (24) und/oder nicht durchgeschweißten Obernähten (25) befestigt sind.

10. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnähte in Längsrichtung des Leiters durch unverschweißte Strecken unterbrochen sind.

11. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Armierungsband (8) Aussparungen (18 und 19) vorgesehen sind.

12. Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Leiters nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem gleichen Elektronenstrahl nacheinander jeweils ein Teilstück benachbarter Einzelleiter (2 bis 5 bzw. 31 bis 34) auf das Armierungsband (7 bzw. 8) aufgeschweißt wird, indem der Elektronenstrahl mittels programmierter Ablenkmaflnahmen nach dem Verschweißen einer vorbestimmten Strecke eines der Einzelleiter zum benachbarten Einzelleiter überspringt

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißvorganges die Einzelleiter (2 bis 5 bzw. 31 bis 34) zugleich mit dem Armierungsband (7 bzw. 8) durch Kammwalzen geführt werden.