DE2723744A1

DE2723744A1 - Volltransponierter bandfoermiger leiter

Info

Publication number: DE2723744A1
Application number: DE19772723744
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Rudolph
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1978-11-30
Also published as: DE2723744B2; CH627873A5; DE2723744C3; GB1572236A

Description

VACÜOMSCHMELZE GMBH 25· Mai 1977

VP 77 P 9555 Hanau Ge/Ha

Volltransponierter bandförmiger Leiter

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Die Erfindung betrifft einen volltransponierten bandförmigen Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten, zu einem flachen Teilleiter verseilten oder verlitzten Leiteradern.

Derartige Leiter sind für Magnetspulen geeignet, die insbesondere veränderlichen Feldern ausgesetzt sind. Um die bei Auferregung von Magnetspulen aus solchen Leitern oder durch sich ändernde Fremdfelder in den Leitern induzierten und damit zu unerwünschten Feldänderungen führenden St/röme zu vermeiden, sind die Leiter derart verseilt, daß jede Leiterader im Leiter eine periodische Lngeveränderung vollführt, wobei nach einer bestimmten Schlaglänge jede Leiterader wieder in ihre Ausgangslage zurückkehrt. Einen so verseilten Leiter nennt man volltransponiert. Infolge der Transponierung ist die Stromverteilung in einem veränderlichen Feld im Mittel über den gesamten Leiter gleichmäßig.

Die einzelnen Leiteradern sind bei den bekannten Leitern häufig als Vielkernleiter ausgebildet, wobei in einem bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials normalleitendem Matrixmetall viele supraleitfähige Filamente enthalten sind. In der Regel sind dabei die Filamente der einzelnen Leiteradern um die Längsachse der Leiteradern verdrillt. Flachseile, bei denen solche verdrillte Vielkernleiter um ein bandförmiges Trägermaterial herumgewickelt sind, sind beispielsweise aus ETZ-A, Band 92 (l97l), Seiten 364 bis 366, insbesondere Seite 365. Bild lh, bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leiter der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, der einerseits eine Vielzahl von supraleitfähigen Filamenten enthält und andererseits einen großen Leiterquerschnitt und damit eine hohe Stroatragfähigkeit aufweist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Leiter gelöst, bei dem mehrere flache Teilleiter nach Art eines Roebelstabes zusammengefaßt sind.

Unter einem Roebelstab ist eine Anordnung von Teilleitern zu verstehen, bei der jeder feil felter innerliäTb~deTB-ßo*b«isjtabes ^ -.__ >eT^leTe1ibleibender Steigung eine periodische Drehung ausführt. Bei Mehrebenen-Roebelstäben kann die periodische Vertauschung Tier "feilleiter innerhalb des Roebelstabes auch zwischen mehreren Ebenen stattfinden. Derartige Roebelstäbe aus elektrisch normalleitenden Einzelleitern, die auch als Hohlprofile ausgebildet sein können, sind beispielsweise in "Scientia Electrica", Vol. XIV (1968), Seiten 49 bis 72 beschrieben. Bekannt ist es ferner, einen bandförmigen Supraleiter, der aus mehreren nebeneinander liegenden Teilleitern aus elektrisch normalleitendem Metall besteht, in welche Drähte aus Supraleitermaterial eingelagert sind, in Art eines Roebelstabes auszubilden (DT-PS 19 32 086), Die einzelnen Teilleiter bei diesem bekannten Roebelstab bestehen jedoch aus einzelnen Leiteradern und nicht aus zu einem Flachkabel verseilten Leiteradern.

Durch die erfindungsgemäße Roebel stab-AnOrdnung von zu flachen Teilleitern verseilten Leiteradern ist es möglich, volltransponierte Supraleiter hoher Stromtragfähigkeit zur Verfugung zu stellen, die geringe Auferregungsverluste und eine zeitlich stabile Feldverteilung aufweisen.

Vorteilhaft ist es, wenn die Breite und Höhe des Leiterquerschnitts nicht zu stark voneinander abweichen. Vorzugsweise sollte der erfindungsgemäße Leiter einen nahezu quadratischen Querschnitt aufweisen. Unter einem nahezu quadratischen Querschnitt des Leiters soll ein Bereich des Seitenverhältnisses von etwa 1 : bis 1 t 2 verstanden werden. Leiter mit einem derartigen Seitenverhältnis eignen sich insbesondere bei großen Leiterquerschnitten für Spulen, die mit kleinen Krümmungsradien in zwei Ebenen gewickelt werden sollen.

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Günstig ist es ferner, wenn die Leiteradern an an sich bekannter Weise aus Gründen der Stabilisierung aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem Metall und darin eingelagerten FiIamentdrähten aus Supraleitermaterial bestehen. Der Durchmesser der einzelnen Filamente sollte dabei 50 /um nicht überschreiten. Als Supraleitermaterialien für die eingelagerten Filamentdrähte eignen sich insbesondere supraleitende Niob-Titan-Legierungen. Als elektrisch normalleitendes Metall kann mit Vorteil Kupfer verwendet werden. Für Wechsel Stromanwendungen des Leiters kommen für das elektrisch normalleitende Metall auch Legierungen mit höheren elektrischen Widerständen, wie Kupfer-Nickel-Legierungen in Frage, da diese zur weiteren Verringerung der Wirbelstromverluste beitragen können. Die supraleitfähigen Filamentdrähte können aber auch aus intermetallischen Verbindungen, wie Nb-Sn, bestehen, welche beispielsweise in einer Matrix aus Kupfer-Zinn-Bronze eingelagert sind. Diese Leiteradern können dann noch zusätzlich mit einem weiteren Material, beispielsweise Kupfer, stabilisiert sein.

Bei den Leitern, die durch die in einer Magnetspule auftretenden magnetischen Kräfte sehr hohen mechanischen Zugbeanspruchungen ausgesetzt werden, kann es ferner günstig sein, die Teilleiter mit einem Material zu verstärken, welches eine höhere mechanische Zugfestigkeit besitzt als das elektrisch normalleitende Metall der Leiteradern.

Anhand einiger Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen achematisch eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäOen Leiters im Querschnitt beziehungsweise in Draufsicht. Die Fig. 5 bis 7 zeigen schematisch weitere beispielhafte Ausführungsformen im Querschnitt.

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Die Fig. 1 bis 3 zeigen im Querschnitt einen aus 19 flachen nebeneinandcrliegenden Teilleitern 1 bis 19 zu einem Roebelstab' zusammengefaßten Leiter. Jeder flache Teilleiter besteht aus 11 Leiteradern 20, beispielsweise aus einer Kupfermatrix, in die eine Vielzahl von Filamentdrähten aus einer supraleitfähigen Niob-Titan-Legierung eingelagert sind. Schematisch ist dies bei den ersten fünf Teilleitern 1 bis 5 der Fig. 1 angedeutet. Beispielsweise kann jede Leiterader mit einem Durchmesser von 0,86 mm, 300 Filamentdrähte mit einem Durchmesser von je 20/um enthalten. Wie aus den Fig. 1 bis 3 deutlich zu erkennen ist, kommen die· flachen Teilleiter 1 bis 10 und bis 19 durch die periodische Vertauschung innerhalb des Roebeletabes abwechselnd in eine der beiden Ebenen des bandförmigen Leiters zu liegen. Die Fig. 4 zeigt denselben Leiter in Draufsicht.

Ein Leiter gemäß vorstehendem Beispiel kann bei einer magnetischen Flußdichte von 5 T und bei 4,2 K Ströme von 40 000 bis 50 000 A tragen. Er ist somit vornehmlich für den Betrieb von Supraleitungshochstromspulcn, zum Beispiel für plasmaphysikalische Anmeldungen geeignet, die mit gepulsten Strömen arbeiten.

Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiters. Die Einzeladern 52 der flachen Teilleiter 51 sind hierbei zur mechanischen Stabilisierung um ein Band 53 aus einem Material hoher Zugfestigkeit verseilt. Geeignet sind für dieses Material Nickel-Chrom-Legierungen, beispielsweise solche mit im wesentlichen etwa 80 Gew.-Jt Nickel und 20 Gew.-Jt Chrom, die unter der Normbezeichnung NiCr 8020 bekannt sind. Venn für das Band eine sehr hohe Zugfestigkeit erforderlich ist, können vorteilhaft auch faserverstärkte Werkstoffe verwendet werden.

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Während bei den bisher beschriebenen Ausführungen des Leiters lediglich eine in den meisten Fällen völlig ausreichende Außenkühlung möglich war, können bei höchsten Anforderungen an die Betriebssicherheit des Leiters auch zusätzliche Kühlkanäle innerhalb des Leiters angeordnet sein, durch die zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandcs weiteres Kühlmittel strömen kann. Dabei, kann ein Kühlkanal beispielsweise zwischen je zwei von mit ihren Breitseiten aneinanderliegenden flachen Teilleitern 6l gebildeten Schichten angeordnet sein. Schematisch ist dies in Fig.6 dargestellt, wobei mit 62 der Kühlkanal bezeichnet ist. Als Material für den Kühlkanal, der beispielsweise in Form eines profilierten Rohres ausgebildet sein kann, kommt zum Beispiel Kupfer wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit in Frage. Für dynamische Beanspruchungen können auch andere Materialien geeignet sein, beispielsweise hochfeste Stähle.

Eine weitere Möglichkeit einen Leiter zusätzlich zu kühlen, kann durch Anordnung eines Kühlkanals an Stelle wenigstens eines flachen Teilleiters erreicht werden. Bei dem in Fig.7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder 2. Teilleiter durch einen Kühlkanal 72 ersetzt, so daß innerhalb des Leiters jeder Kühlkanal zwischen den Breitseiten eines flachen Teilleiters 71 liegt, beziehungsweise bei weiterer Vertauschung der Teilleiter wenigstens an eine Breitseite eines Teilleiters angrenzt. Durch diese Anordnung der Kühlkanäle ist eine noch bessere Kühlung der einzelnen Teilleiter gewährleistet.

Abgesehen davon, daß der erfindungsgemäße Leiter voll transponiert ist, weist er den Vorteil auf, daß die flachen Teilleiter aus serienmäßig verfügbaren, beziehungsweise herstellbaren Leiteradern aufgebaut werden können. Je nach Anzahl und Aufbau dieser wiederum zu einem Roebelstab zusammengefaßten Tcilleiter, kann der erfindungsgemäße Leiter für ein breites Spektrua von Anwendungsfällen in Frage kommen, ohne daß es erforderlich ist, für jeden einzelnen Anwendungefall speziell angepaßte Leiteradern zu konzipieren.

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Ferner können die zu den flachen Teilleitern zn verseilenden Leiteradern vorher in einfacher Weise Qnerschnittsverändernngen unterzogen werden, so daß sich auch dünnste Filamente erzielen lassen.' Die vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Leiteradern haben gegenüber kompakten Flachleitern neben der günstigecnTransponierung ferner den Vorteil, daß die supraleitfähigen Filamente durch die Verformungsschritte bei der Leiter-Herstellung nicht breitgequetscht werden, wie das bei kompakten Flachleitern üblicherweise der Fall ist. Im Gegensatz zu den kompakten Flachleitern zeigen die erfindungsgemäßen Leiter daher praktisch keinen Anisotropieeffekt, d. h. keine Richtungsabhängigkeit der kritischen Stromstärke in einem äußeren Magnetfeld.

Da sich die Leiteradern in beliebiger Länge herstellen lassen, kann auch der erfindungsgemäße Leiter eine beliebige Länge aufweisen.

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Claims

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1.JVolltransponierter bandförmiger Leiter mit mehreren aus Supralcitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten, zu einem flachen Teilleiter verseilten oder verlitzten Leiteradern, gekennzeichnet durch mehrere flache, nach Art eines Roebeletabes zusammengefaßte Teilleiter (l bis 19.)·

2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen nahezu quadratischen Querschnitt aufweist.

3· Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteradern aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem Metall und darin eingelagerten Filamentdrähten aus Supraleitermaterial bestehen.

4. Leiter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix

aus Kupfer und die Filamentdrähte aus einer supraleitfähigen . Niob-Titan-Legierung bestehen.

5· Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiter (5l) mit einem Material (53) mechanisch verstärkt sind, welches eine höhere mechanische Zugfestigkeit besitzt als das elektrisch normalleitende Metall der Leiteradern (52).

6. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5* gekennzeichnet durch wenigstens einen Kühlkanal (62).

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7· Leiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (62) zwischen je zwei von mit ihren Breitseiten aneinanderliegenden flachen Teilleitern (6l) gebildeten Schichten angeordnet ist.

8. Leiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (72) zwischen den Breitseiten von zwei flachen Teilleitern (7l) angeordnet ist.

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