DE2607329A1 - Verfahren zur eliminierung des training-effekts in superleitenden spulen - Google Patents

Description

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D-C. 20545, U.S.A.

Verfahren zur Eliminierung des Training-Effekts in superleitenden Spulen

Die Erfindung bezieht sich auf superleitende Materialien und insbesondere auf ein Verfahren,durch welches der Training-Effekt bei Spulen eliminiert wird, die aus einem zusammengesetzten Material gebildet sind, welches sowohl superleitende als auch normale Materialien enthält.

Die Verwendung superleitender Materialien für stromführende Spulen zur Erzeugung großer Magnetfelder besitzt zahlreiche theoretische Vorteile. Insbesondere die Möglichkeit der Erreichung wesentlich höherer Stromdichten als in normalen Materialien, und die Möglichkeit, den Verlust an elektrischer Energie zu reduzieren, machen eine superleitende Spule dort attraktiv, wo große Magnetfelder erwünscht sind. Es ist jedoch normalerweise notwendig, superleitende Materialien gegenüber einer Zerstörung durch thermisches Durchgehen zu schützen, wenn der Superleiter normal wird, und zwar geschieht dies durch Einbetten des superleitenden Materials in der Form von Fäden in einer Matrix aus einem Material, das eine höhere elektrische Leitfähigkeit im Normalzustand zeigt, als dies die superleitenden Materialien

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tun. Kupfer ist das am häufigsten gebräuchliche für eine derartige Leitungsmatrix verwendete Material. Es wurden auch Aluminium und Legierungen von Kupfer und Nickel verwendet. Die Matrix schafft einen Schutznebenschluß für den Fall, daß das superleitende Material aus irgendeinem Grund in seinen Normalzustand übergeht. Die Anwendung der zusammengesetzten Materialien wird jedoch durch ein Phänomen gestört, welches als "Training-Effekt" bekannt ist. Der Training-Effekt wird in zusammengesetzten superleitenden Spulen als eine Umkehr zum Normalzustand bei einem Stromwert beobachtet, der weit unterhalb des maximalen Entwurfwerts liegt, wenn der Strom zum ersten Mal an die Spule angelegt wird. Wenn der Strom in der Spule zyklisch zwischen Null oder einem kleinen Wert und einem großen Wert angelegt wird, so beobachtet man, daß die obere Grenze des Spulenstroms kontinuierlich ansteigt. Es ist so, als ob die Spule trainiert würde, einen zunehmend größeren Stromwert zu führen; daher kommt der Name "Training-Effekt". Die Folge davon ist eine theoretisch nicht zufriedenstellende, teure und möglicherweise gefährliche Situation, wo eine superleitende Spule wiederholt in den Normalzustand gedrückt werden muß, um sie für die Leitung höherer Stromwerte zu trainieren. Dies ist zeitraubend und birgt die Gefahr der Beschädigung der Spule während des Trainiervorgangs in sich.

Dieses Problem wird noch durch die Tatsache erschwert, daß die meisten superleitenden Spulen in flüssigem Helium bei Temperaturen nahe 4 K betrieben werden. Um den superleitenden Zustand im gesamten superleitenden Material über die Matrix hinweg aufrechtzuerhalten, so ist es erforderlich, sicherzustellen, daß kein Temperaturgradient in der Matrix eine örtliche Zone schafft, in der die Temperatur die kritische Temperatur des Superleiters übersteigt. Es gibt zwei grundsätzliche Wege, die Temperaturgradienten im Matrixmaterial tief zu halten. Ein Weg besteht darin, die Abstände zwischen Teilen des Matrixmaterials und des flüssigen Heliums zu minimieren, und zwar durch Mittel, wie beispielsweise Hindurchführen von Kühlkanälen durch das Matrixmaterial. Dies hat den Nachteil der Verminderung der Nettostromdichte zur Folge, wenn die Gesamtquerschnittsfläche des Materials

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einschließlich der Fläche der Kühlleitungen als einnotwendiger Teil der Querschnittsfläche der Spule betrachtet wird. Eine solche Situation wird vorzugsweise offensichtlich dann vermieden, wenn man versucht/ eine Spule zur Anordnung in einem begrenzten Volumen zu bauen. Wenn dies von Bedeutung ist, so werden üblicherweise Metallrippen hoher Leitfähigkeit als Wärmeabführungen sandwichartig zwischen den Schichten des zusammengesetzten Materials angeordnet, um eine bessere Ableitung der in der Matrix erzeugten Wärme zum flüssigen Heliumbad vorzusehen. Der andere Weg zur Minimierung der Temperaturgradienten besteht darin, Vergußmassen zu verwenden, die im Hinblick auf ihre gute Wärmeleitfähigkeit ausgewählt sind.

Es wird angenommen, daß der Training-Effekt sich durch eine nicht gleichförmige Restbeanspruchungs-Verteilung über den Querschnitt des zusammengesetzten Materials hinweg ergibt. Die Querschnittsbeanspruchungs-Verteilung wird durch Biegen des superleitenden zusammengesetzten Materials während der Herstellung,des Wickeins für den Transport und der Ausbildung des Drahts in eine Spule gestört. Testbeobachtungen stimmen mit dieser Hypothese überein, insoferne als das Material ein unelastisches Verhalten zeigt, wenn es Zugspannungen ausgesetzt wird.

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zum Aufbau von zusammengesetzten superleitenden Spulen vorzusehen, wobei der Training-Effekt minimiert wird. Ferner bezweckt die Erfindung ein Herstellungsverfahren für superleitende Spulen derart anzugeben, daß in den Spulen während normalen Betriebs eine minimale Wärmemenge erzeugt wird. Ferner sieht die Erfindung ein Aufbauverfahren für superleitende Spulen vor, welches gestattet, daß die Spulen den theoretischen maximalen Entwurfsstrom führen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung vor, daß der Training-Effekt in einer zusammengesetzten superleitenden Spule dadurch minimiert wird, daß man Beanspruchungen an die gewickelte Spule anlegt, und zwar in einer Richtung und in einer Größe größer

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als die der elektromagnetischen Kräfte, die die Spule während normalen Betriebs erfährt.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein typisches Matrixsuper leitendes Spulenelement;

Fig. 2 eine Ansicht einer typischen superleitenden Spule, die in einem kryogenen Bad einer Nach-Wicklungs-Vorbelastung ausgesetzt ist;

Fig. 3 eine Ansicht einer typischen superleitenden Spule, die einer Nach-Wicklungs-Vorbelastung durch Druckmittel ausgesetzt ist;

Fig. 4 alternative Mittel zum Anlegen einer Nach-Wicklungs-Vorbelastung durch Druck;

Fig. 5 einen Teilschnitt einer typischen mehrlagigen superleitenden Spule;

Fig. 6 eine Endansicht der Spule gemäß Fig. 5.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Spulen aus superleitendem Matrixmaterial zur Minimierung oder Eliminierung des Training-Effekts, der häufig bei der ersten Benutzung derartiger Spulen beobachtet wird. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines typischen Strangs 8 eines derartigen Matrix-Superleitmaterials. Fig. 1 zeigt eine Anzahl von Fäden (Drähten) 10 aus superleitendem Material, wie beispielsweise Niob-Titan, und zwar eingebettet in eine Matrix 12 aus leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Der Strang ist mit einer Isolierung 14 bedeckt, so daß, wenn eine Spule unter Verwendung des Gebildes gemäß Fig. 1 gewickelt wird, benachbarte Windungen nicht durch die elektrische Berührung

der Matrix 12 von Wicklung zu Wicklung kurzgeschlossen werden. Das übliche Verfahren zur Wicklung einer superleitenden Spule unter Verwendung des Materials der Fig. 1 besteht darin, eine Anzahl von Stäben aus superleitendem Material in einem Barren

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(Knüppel) aus die Matrix 12 bildenden leitendem Material einzugiessen. Die.auf diese Weise ausgebildete Kombination wird sodann eingeschnürt, gewalzt und gezogen, um die Querschnittsfläche auf einen gewünschten Wert zu vermindern und den Knüppel in einen Draht zu verlängern. Während des Formungsvorgangs kann einmal oder mehrere Male ein Anlaßverfahren verwendet werden. Es wird normalerweise als letzter Schritt verwendet, nachdem die Isolierung 14 aufgebracht und der zusammengesetzte Superleiter zu einem Wickel für den Versand gewickelt wurde. Alternativ kann das Anlaßverfahren als letzter Schritt vor dem Aufbringen der Isolierung vorgesehen sein, worauf dann der Draht zu einem Wickel für den Versand gewickelt wird. In jedem Falle ist das zusammengesetzte mit dem Querschnitt gemäß Fig. 1 zum Wickeln in eine superleitende Spule gelieferte Material im allgemeinen angelassen und zeigt, wenn überhaupt, nur eine geringe Verfestigung (Arbeitshärtung). Die Matrix 12 umfaßt somit ein leitendes Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder eine Legierung von Kupfer und Nickel, das hinreichend gründlich angelassen ist, um einen relativ niedrigen Bereich von angelegten Belastungen aufzuweisen, über den hinweg das Verhalten als elastisch beschrieben werden kann. Der Anlaßzustand der Matrix 12 wird nicht wesentlich durch die kleine Größe der Arbeitshärtung beeinflußt, die sich durch das Wickeln der Spule ergibt. Die Matrix 12 steht jedoch unter interner Beanspruchung infolge der Biegung, wobei diejenigen Teile des Querschnitts dicht am kleineren Radius zusammengedrückt werden, während diejenigen Teile, die dichter am größeren Radius liegen, auf Zug beansprucht sind. Es wird angenommen, daß die fortgesetzte Verminderung dieser Beanspruchungen durch Schlupf an den Korngrenzen die Ursache für das Trainieren in derartigen Spulen ist, und es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Ursache zu minimieren oder zu eliminieren.

In Fig. 2 ist eine Ansicht einer Spule dargestellt, die einer Nach-Wicklungs-Vorbelastung unterzogen wird, um die richtige Änderung der Innenbeanspruchungs-Verteilung in jedem Querschnitt des zusammengesetzten superleitenden Materials,aus dem die Spule

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gewickelt ist, zu bewirken. Die Spule 18 in Fig. 2 ist eine typische superleitende Spule, die aus einem zusammengesetzten Material gewickelt ist, welches einen Querschnitt ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten besitzt. Eine derartige Spule ist typischerweise aus zwei oder mehreren Lagen von zusammengesetztem Material gebildet, wobei jede Lage eine Anzahl von Windungen besitzt. Benachbarte und übereinanderliegende Windungen sind voneinander durch die Isolierung 14 der Fig. 1 getrennt. Die vorliegende Erfindung wird dadurch ausgeführt, daß die Spule 18 auf Halterungen 20 angeordnet ist und ein Dorn 22 in die Spule eingesetzt ist. Der Dorn 22 besitzt eine solche Größe, daß er eng passend an der Innenseite der Spule 18 anliegt; der Dorn besteht ferner aus einem Material, welches einen thermischen Koeffizienten der kubischen Ausdehnung aufweist, der kleiner ist als derjenige des in Spule 18 verwendeten leitenden Materials. Ein Beispiel für ein derartiges Material ist eine Eisenlegierung, die 36 % Nickel enthält und unter dem Warenzeichen "Invar" verkauft wird. Die Spule 18 wird auf Trägern im Bad 24 angeordnet und durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff 26 abgekühlt. Sowohl die Spule 18 als auch der Dorn 22 ziehen sich zusammen, wobei aber durch die Auswahl der Materialien in Spule 18 und Dorn 22 die Spule 18 sich mehr zusammenzieht als der Dorn 22. Das Resultat besteht darin, daß eine Kraft radial nach außen auf die Spule 18 ausgeübt wird. Diese Kraft wird unter Verwendung der Lame Gleichungen (vgl. beispielsweise Seeley and Smith, Advanced Mechanics of Materials, 2. Ausgabe, 1966, Seite 296) berechnet und ergibt sich als größer als die auf die Spule 18 ausgeübte elektromagnetische Kraft unter den Bedingungenι wo die Spule 18 den Entwurfsstrom leitet. Das Ergebnis besteht darin, daß das leitende Material in der Spule 18 in einem Zustand innerer Belastung gelassen wird, so daß das Anlegen des EntwurfStroms an die Spule 18 bei normalem Betrieb bewirkt, daß sich das leitende Material in der Spule 18 auf einem Punkt in der Belastungs/Beanspruchungs-Kurve (Dehnungskurve)dieses Materials befindet, der innerhalb der proportionalen elastischen Grenze des Materials

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liegt. Demgemäß besteht für das Material der Spule 18 keine Tendenz eine plastische Deformierung oder einen Schlupf an den Korngrenzen zu vollziehen und es gibt daher keine Reibungsumwandlung von interner Beanspruchungsenergie in Wärme für die Beeinflussung des superleitenden Zustands des superleitenden Materials in der Spule 18. Wenn infolgedessen die Spule 18 aus dem Bad 24 entfernt und der Dorn 22 aus der Spule 18 entfernt wird, so sieht man, daß die Spule 18 nur wenig oder kein Training benötigt, um einen geeigneten Zustand innerer Belastung zu erreichen. Das Verfahren des Einsetzens des Dorns 22 und des Kühlens der Spule 18 hat eine Nach-Wicklungsvorbelastung der Spule 18 ergeben.

Fig. 3 zeigt ein Verfahren zur Erreichung einer Nach-Wicklungs-Vorbelastung durch Druck. In Fig. 3 ist die Spule 30 eine zusammengesetzte superleitende Spule, die Fäden oder Drähte aus einem superleitenden Material,eingebettet in einem leitenden Material, aufweist. Halterungen 32 halten die Spule 30, während eine Innenhülse 34 verwendet wird, um eine Nach-Wicklungsvorbelastung der Spule 30 zu erreichen. Die Vorbelastung wird durch Druckanlage- und Druckablaß-Mittel 36 erreicht, die ein Strömungsmittel unter Druck in die Innenhülse 34 leiten. Der Innendruck wird gleichmäßig zur Vorbelastung der Spule 30 von der Innenseite her übertragen, um so das leitenden Material bis zu dem Punkt zu dehnen, daß die Innenbeanspruchungen dann, wenn die Spule 30 später zur Führung ihres EntwurfsStroms angeschaltet ist, das leitende Material der Spule 30 innerhalb des elastischen Bereichs des leitenden Materials der Spule 30 anordnen. Auf diese Weise wird die Notwendigkeit für das Trainierung minimiert oder eliminiert.

Fig. 4 zeigt alternative Mittel zum Anlegen einer Vorbelastung durch Druck. In Fig. 4 ist die zusammgesetzte superleitende Spule 38 koaxial innerhalb eines Ringzylinders 40 angeordnet, der eine solche Große besitzt, daß er dicht um die Spule 38 herum paßt, wenn der Ringzylinder 40 nicht unter

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• δ-

Druck steht. Das Anlegen von Strömungsmitteldruck an den Ringzylinder 40 über Druckanlage- und Ablaß-Mittel 42 drückt die Spule 38 von außen zusammen, wodurch eine Druckkraft angelegt wird. Die angelegte Kraft wird derart berechnet, daß sie groß genug ist, um das Matrixmaterial der Spule 38 in den elastischen Bereich dann zu bringen, wenn die Spule den Entwurfsstrom führt. Auf diese Weise wird die Nach-WicklungsVorbelastung durch Zusammendrücken erreicht.

Es sei nunmehr der Teil der zusammengesetzten superleitenden Spule betrachtet, der einen Übergang von einer Lage zur anderen bewirkt. Dies ist in den Fig. 5 und 6 gezeigt, wo Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht und Fig. 6 eine Endansicht einer typischen zusammengesetzten superleitenden Spule darstellt. In den Fig. 5 und 6 umfaßt die zusammengesetzte superleitende Spule 44 ein zylindrisches Traggebilde 46, was einen Rahmenaufbau aus einem zusammengesetzten superleitenden Material bildet und die erste Lage 48 trägt, die ihrerseits die zweite Lage aus zusammengesetztem superleitenden Material trägt. Ein Verbindungsstreifen 52 stellt eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Lage 48 und der zweiten Lage 50 her. Die Nach-Wicklungsvorbelastung gemäß einem der erfindungsgemäßen Verfahren legt eine Kraft an, um den Beanspruchungszustand einer der Lagen 48 oder 50 zu ändern. Diese Kraft wird durch die physikalische Berührung zwischen den beiden Lagen auf die andere Lage zu deren Vorbelastung übertragen. Lediglich der Verbindungsstreifen 52 wird nicht vorbelastet. Dies verhindert jedoch nicht die Verminderung oder Eliminierung des Trainingeffekts, da der Verbindungsstreifen 52 an einer Kante der Lagen 48 und 50 angeordnet ist, so daß er in Berührung mit dem flüssigem Helium kommt, welches verwendet wird, um das zusammengesetzte superleitende Material in seinem superleitenden Bereich zu halten. Ferner kann sich der Verbindungsstreifen 52 frei infolge von elektrischen Kräften bewegen und somit wird sein Zustand innerer Beanspruchung durch das Anlegen von Strom an die Spule 44 nicht geän-

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. 4-

dert. Das Ergebnis besteht darin, daß die erste Lage 48 und die zweite Lage 50 vorbelastet werden, und zwar auf einen richtigen Zustand der Beanspruchung (wie oben beschrieben), während der Verbindungsstreifen 52 in hinreichender Weise dadurch.gekühlt wird, daß er dem flüssigen Helium ausgesetzt ist, um so seinen Beitrag zu einem Trainingeffekt zu verhindern.

Eine alternative Art der Beschreibung des Effekts der Nach-Wicklungsvorbelastung besteht darin, die Verbindung zum Belastungszustand des Materials herzustellen. Dieser Zustand wird durch die Streckgrenze des Materials ausgedrückt und ist normalerweise definiert als die Belastung, die erforderlich ist, um eine nicht belastete permanente Beanspruchung von 0,2% zu erzeugen. Diese Belastung ist größer als die Größe, die erforderlich ist, um das Material auf seine proportionale Elastizitätsgrenze zu bringen, was der Beginn des Verlassens der Belastungs-Beanspruchungs-Kurve von der geraden Linie des Hook'sehen Gesetzes ist. Diese Abweichung beginnt typischerweise bei Beanspruchungsprozentwerten in der Größenordnung von 0,07 bis 0,08%. Die Anwendung von Belastungen unterhalb der proportionalen elastischen Grenze hat im wesentlichen keine internen Versetzungen der Moleküle des Materials zur Folge. Oberhalb dieses Punktes bewirken höhere Belastungen das Schlüpfen von Molekülen und die sich dadurch ergebende Energiefreigabe. Diese Freigabe tritt als lokalisiertes Erwärmen auf, von dem angenommen wird, daß es den Trainingeffekt bewirkt. Es wird angenommen, daß die zum Wickeln einer Spule des zusammengesetzten Superleiters verwendeten Verfahren das Matrixmaterial in einem Belastungszustand zurücklassen, so daß die aus dem Anlegen eines Stromes resultierenden elektromagnetischen Kräfte das zusammengesetzte Material über seine proportionale elastische Grenze an einigen Stellen hinausbringen, was die oben beschriebene örtliche Erhitzung zur Folge hat. Das Anlassen löst dieses Problem nicht und eliminiert den Trainingeffekt nicht, weil, obwohl das Anlassen Belastungen in einem gewissen Ausmaß freigibt, es auch die proportionale elastische Grenze reduziert. Die Nach-Wicklungsvorbelastung bewahrt gleichzeitig den zuvor existierenden Anlaßzustand des Matrixmaterials und stellt auch den Zustand der Innen-

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belastung so ein, daß das Matrixmaterial unterhalb seiner proportionalen elastischen Grenze im Betrieb gehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, daß man das Material auf einen Wert im Bereich von 0,2 bis 0,4% Beanspruchung belastet.

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Claims (6)

Ansprüche :

1.) Verfahren zur Konditionierung einer gewickelten superleitenden Spule, die aus einer Vielzahl von Fäden aus superleitendem Material in einer Matrix aus normal leitendem Material besteht, gekennzeichnet durch Belastung der Spule in den Richtungen der elektromagnetischen Kräfte, die im normalen Betrieb erzeugt werden und mit einer Größe, die höher ist als die Größe der im normalen Betrieb erzeugten maximalen elektromagnetischen Kraft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausdehnbare Hülse in die Spule eingesetzt wird, um gegen die Spule ausgedehnt zu werden, um das normale leitende Material auf einen Beanspruchungswert zwischen 0,2% und 0,4% zu belasten, worauf dann die ausdehnbare Hülse entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Belastung der 'Spule diese in einem koaxialen Ringzylinder angeordnet wird, wobei Strömungsmitteldruck an den koaxialen Ringzylinder angelegt wird, um das normalerweise leitende Material der Spule auf einen Beanspruchungswert zwischen 0,2% und 0,4% zusammenzudrücken.

4. Verfahren zur Vorbelastung einer gewickelten superleitenden Solenoidspule aus einer Vielzahl von Drähten aus superleitendem Material in einer Matrix aus normal leitendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß man einen zylindrischen Dorn koaxial innerhalb der Spule anordnet, wobei der Dorn eine Größe besitzt, die eine enge Passung mit der Spule vorsieht, wobei der Dorn aus einem Material besteht, dessen thermischer kubischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der thermische kubische Ausdehnungskoeffizient des normal leitenden Materials, und daß die den Dorn enthaltende Spule auf kryogene Temperaturen abgekühlt wird, wodurch die Spule vorbelastet wird.

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ft.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn aus Invar besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule zum Kühlen mit dem Dorn in flüssigen Stickstoff eingetaucht wird.

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