DE2720119C3

DE2720119C3 - Verfahren zum Reduzieren der Zahl der Trainingsschritte eines supraleitenden Drahtes und Einrichtungen zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE2720119C3
Application number: DE2720119A
Authority: DE
Inventors: Curt Dipl.-Phys. Dr. Les Vlies Schmidt
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1977-05-05
Filing date: 1977-05-05
Publication date: 1982-08-05
Also published as: GB1595125A; DE2720119A1; DE2720119B2; FR2389979B1; US4178676A; FR2389979A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren

ίο der Trainingsschritte eines supraleitenden Drahtes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und je eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens für große und für kleine Leiterlängen.

Zum Erzeugen starker Magnetfelder werden in zunehmendem Maße Spulen verwendet, die bei bestimmten tiefen Temperaturen supraleitend sind und in diesem Zustand keinen elektrischen Widerstand besitzen. Dabei können wesentlich höhere Stromdichten als in normal'.eitenden Leitern realisiert und Energieverluste wesentlich herabgesetzt werden.

Wenn es aber während des Betriebes zu einem unerwünschten Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand kommt, kann es wegen des wesentlich höheren spezifischen Widerstandes des Supraleitermaterials im Normalleitungsbereich und der in Verbindung damit sprunghaft ansteigenden Wärmeverlustleistung zur thermischen Zerstörung des Leiters kommen. Das wird verhindert durch Aufteilen des Supraleiters in eine Vielzahl von Filamenten, die in eine Matrix aus normalleitendem Material wie z. B. Kupfer eingebettet sind. Wird eine aus Supraleitern dieses Aufbaues gewickelte Spule erstmalig belastet, so tritt bei einer bestimmten Strombelastung, unterhalb der kritischen Stromstärke, der Übergang in den normalleitenden Zustand ein. Bei mehreren Wiederholungen dieses Belastungsvorganges wird die Stromstärke schrittweise bis zur kritischen Stromstärke erhöht, es ist also ein Effekt nachweisbar, der mit einem Trainingseffekt vergleichbar ist. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei Supraleitern auf, die aus dem Werkstoff NbTi hergestellt und teilstabilisiert sind. Als Ursache wird eine spannungsinduzierte Verschiebung von Versetzungslinien im NbTi angesehen, deren Zahl durch Vorbehandlung des Supraleiters herabgesetzt werden kann.

Es ist bekannt, dieses Training einer supraleitenden Spule zum Einstellen einer möglichst hob:n kritischen Stromstärke in der Weise durchzuführen, daß die Magnetspule einer mehr oder weniger großen Zahl von vorzeitigen, also vor der Inbetriebnahme liegenden, Übergängen in den Zustand der Normalleitung unterworfen wird. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß mit zunehmender Größe der Magnetspule die Zahl der notwendigen Trainingsschritte und die für einen Trainingsschritt erforderliche Zeit schnell ansteigt.

Es ist auch ein Verfahren bekannt (DE-OS 26 07 329), bei dem in die Bohrung einer Spule eine Hülse oder ein Dorn eingesetzt oder um die Spule ein koaxialer Ring zylindrisch gelegt wird und mit Hilfe von Erwärmung und/oder Abkühlung Wärmespannungen von der Hilfseinrichtung auf die Spule übertragen werden. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zusätzliche Einrichtungen und Hilfsmittel erforderlieh sind, die insbesondere bei großen Spulen einen erheblichen Aufwand erfordern. Darüber hinaus können bei dem Reckvorgang Geometrieänderungen der Spule auftreten, die zu einer wesentlichen Qualitätsminderung

führen können, weil bei den eisenlosen Spulen im Supraleitungsbereich die Feldgeometrie ausschließlich durch die Spulengeometrie bestimmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem d?e Zahl der Trainingsschritte wesentlich reduziert werden kann oder ein Training der Spule überhaupt nicht erforderlich ist und aufwendige Hilfseinrichtungen zum Recken der Spule nicht benötigt werden. Die Aufgabe beinhaltet auch eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren und durch die in den Ansprüchen 4 und 5 beschriebenen Einrichtungen zum Durchführen des Verfahrens gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß besondere Maßnahmen für den Bau von supraleitenden Magneten nicht erforderlich sind und die Zahl der Trainingsschritte dennoch wesentlich herabgesetzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Einrichtungen zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematische Darstellung einer Einrichtung zum zyklischen Recken von Supraleitern großer Länge,

F i g. 2 schematische Darstellung einer Einrichtung zum zyklischen Recken von Supraleitern kleiner Länge,

F i g. 3 Diagramm zur Darstellung der Effektivität der Zahl der Belastungen und der Längendehnung des Supraleiters.

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Durchlaufeinrichtung für große Leiterlängen wird der Supraleiterdraht 1, der später zu einer Spule gewickelt werden soll, einer Vorratsspule 2 entnommen. Der Supraleiterdraht 1 umschlingt eine erste Führungstrommel 3 mindestens einmal, wird unter Vorspannung zu einer zweiten Führungstrommel 4 geführt, umschlingt diese ebenfalls mindestens einmal und wird von einer nachgeordneten Aufwickelspule 5 aufgenommen. Die erste und die zweite Führungstrommel sind über eine Einrichtung 6 zum Synchronisieren der Drehzahlen beider Führungstrommeln starr gekoppelt. Zwischen der ersten und der zweiten Führungstrommel ist eine exzentrisch gelagerte Scheibe 7, die von einem Motor 8 gedreht wird, so angeordnet und an den gespannten Supraleiterdraht 1 so angekoppelt, daß dieser einer zyklischen Zugbeanspruchung vorbestimmter Dehnung e und vorbestimmter Zykluszahl π ausgesetzt ist.

Supraleiterdrähte 10 kleiner Länge werden zweckmäßigerweise mit der in Fig.2 schematisch dargestellten Einrichtung einer zyklischen Zugbeanspruchung vorbestimmter Dehnung ε und vorbestimmter Zykluszahl η angesetzt Der Supraleiterdraht 10 ist an einem Ende in eine Klemmvorrichtung 11 fest eingespannt und an seinem anderen Ende über eine Klemme 12 an ein Zugseil 13 angeschlossen. Das Zugseil 13 ist über eine Rolle 14 geführt und an seinem freien Ende mit einem Bolzen 15 verbunden, der auf einer Scheibe 16 angeordnet ist, die von einem Motor i7 gedreht wird.

ίο Mit einer im Zugseil 13 angeordneten Kraftmeßdose 18 und einem Spannschloß 19 ist die Vorspannung des Supraleiters 10 einstellbar, so daß beim Rotieren der Scheibe vorbestimmte intermittierende Zugkräfte auf den Supraleiter 10 wirken und dieser einer Zugbeanspruchung vorbestimmten Dehnung ε und Zykluszahl η ausgesetzt ist.

Mit dieser Einrichtung ist z. B. ein Supraleiterdraht aus NbTi 50 von 1,45 mm Durchmesser und 4,70 m Länge mit 1700 Filamenten von je 20 μ Duichmesser in einer Kupfermatrix bei einem Verhältnis NbTi : Cu = 1 :2 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Raumtemperatur behandelt worden.

Dabei sind Supraleiterdrähte Dehnungen ε = 0,75%, ε = 0,5%, ε = 0,25% bei Zykluszahlen /7=0 bis 200 ausgesetzt und aus den so vorbehandelten Supraleiterdrähten Spulen gleicher Wickeldaten gewickelt und diese in der bekannten Weise trainiert worden. Der bei den Trainingsschritten erzielte Anstieg der Stromstärke ergibt eine Kurve, die mit der Parallelen zur Abszisse durch den Punkt der kritischen Stromstärke h eine Fläche einschließt, die durch eine der Fläche proportionale Bewertungsziffer darstellbar ist. F i g. 3 zeigt ein räumliches Koordinatensystem mit den Koordinaten Dehnung ε in Prozent der Länge des Supraleiters.

Zykluszahl π und Bewertungsziffer.

Die Kurve 20 liegt in der Ebene für ε = 0,25%, die angenähert in der Zeichenebene liegt. Die Kurve 20 fällt von dem Punkt 21 bei einer Zykluszahl n = 0 stetig ab bis zu einem Punkt 22 bei /?=100, um dann mit größer werdendem η wieder steil anzusteigen.

Die Kurve 23 für ε = 0,50% fällt von dem Punkt 24 für /? = 0 bis zum Punkt 25 für n=50 stetig ab und steigt mit zunehmendem η wieder an. Den prinzipiell gleichen Verlauf nimmt auch die Kurve 26 für ε = 0,75%, die ausgehend von dem Punkt 27 bereit.? bei /3=10 ihren Punkt 28 erreicht.

Eine große Zykluszahl η bei kleinen Dehnungen ε des Supraleiterdrahtes führt also zu dem gleichen Ergebnis wie eine kleine Zykluszahl η bei größeren Dehnungen ε.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Reduzieren der Zahl der Trainingsschritte eines supraleitenden, zum verlustfreien Transport elektrischen Stromes bestimmten Drahtes aus einer Vielzahl in eine Matrix aus einem normalleitenden Material eingebetteter Filamente aus einem supraleitenden Material, wobei während des Trainings durch eine Folge von Obergängen vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand die Höhe der kritischen Stromstärke, bei der ein sprunghafter Übergang zur Normalleitung auftritt, angehoben wird und der Supraleiter einer mechanischen Belastung durch elektromagnetische Kräfte ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Draht vor seiner Verarbeitung zu einer Spule in seiner Längsrichtung dadurch um einen vorbestimmten Betrag gedehnt wird (Vordehnung), daß eine Kraft vorbestimmter Größe wiederholt auf den Supraleiter wirkt und dabei der interne Spannungszustand des Drahtes von einem Wert unterhalb der bei der Spule zu erwartenden elektromagnetischen Kraft auf den vorbestimmten Betrag oberhalb der zu erwartenden elektromagnetischen Kraft erhöht und wieder auf den Ausgangswert reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter während der Vordehnungsbehandlung auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird, deren Höhe in Abhängigkeit von dem supraleitenden Material und der kritischen Stromstärke eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter während der Vordehnungsbehandlung auf Raumtemperatur gehalten wird.

4. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere bei großen Leiterlängen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Führungstrommel (3) und eine zweite Führungstrommel (4) über eine Einrichtung (6) zum Synchronisieren der Drehzahlen beider Führungstrommeln (3, 4) starr gekoppelt sind, daß der von einer Vorratsspule (2) zugeführte Supraleiter (1) die erste Führungstrommel (3) mindestens einmal umschlingt, zur zweiten Führungstrommel (4) geführt ist, diese mindestens einmal umschlingt und von einer nachgeordneten Aufwickelspule (5) aufgenommen wird, und daß zwischen der ersten und der zweiten Führungstrommel eine exzentrisch gelagerte, rotierende Scheibe (7) so angeordnet und an den gespannten Supraleiter (1) so angekoppelt ist, daß der zwischen der ersten und der zweiten Führungstrommel gespannte Supraleiter (1) ausgelenkt und einer zyklischen Zugbeanspruchung ■vorbestimmter Dehnung (fecund Zykluszahl (n)\sl

5. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere bei kleinen Leiterlängen, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (10) mit einer Klemmvorrichtung (11) an einem Ende fest eingespannt ist, daß das andere Ende an ein Zugseil (13) angeschlossen ist, daß das freie Ende des Zugseiles (13) mit einem Bolzen (15) verbunden ist, der auf einer um ihren Mittelpunkt rotierenden Scheibe (16) angeordnet ist, daß mit einer Kraftmeßdose (18) und einem SpannschloU (19) die Vorspannung des Supraleiters (10) einstellbar ist, so daß beim Rotieren der Scheibe (16) vorbestimmte, intermittierende Zugkräfte im Supraleiter (10) eine zyklische Zugbeanspruchung vorbestimmter Dehnung (ε) und Zykluszahl (n) bewirken.