DE2723744B2

DE2723744B2 - Volltransponierter bandförmiger Leiter

Info

Publication number: DE2723744B2
Application number: DE2723744A
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Ing. 6450 Hanau 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: 1979-11-08
Also published as: DE2723744A1; CH627873A5; DE2723744C3; GB1572236A

Description

Die Erfindung betrifft einen volltransponiertcn 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 Magnctspulen geeignet, die insbesondere veränderlichen Feldern ausgesetzt sind. Um die bei Auferregung von Magnctspulen aus solchen Leitern oder durch sich ändernde Frcmdfelder in den Leitern induzierten und damit zu unerwünschten Fcldanderungcn führenden Ströme zu vermeiden, sind die Leiter derart verseilt, daß jede Leiterader im Leiter eine periodische Lageveränderung vollführt, wobei nach einer bestimmten Schlaglängc jede Leiterader wieder in ihre Ausgangstage zurückkehrt. F.inen so verseilten Leiter nennt man volltransponiert. Infolge der Transponierung ist die Stromverteilung in einem veränderlichen Feld im Mittel über den gesamten Leiter gleichmäßig.

IJic einzelnen Leitendem sind bei den bekannten Leitern häufig als Vielkernleiler ausgebildet, wobei in einem bei der Betriebstemperatur des Supralriirrmaicrials normalleitendcn Matrixmeull viele supralcitfähige Filamente enthalten sind. In der Regel sind dabei die Filamente der einzelnen l.eileradern um die Längsachse der l.eileradern verdrillt Flachseile, bei denen solche verdrillte Vielkernleiter um ein bandförmiges Trägermaterial herumgewickelt sind, sind beispielsweise aus ETZ-A, Band 92 (1971), Seiten 364 bis 366, insbesondere Seite 365, BiIdIh, oder aus der DE-OS 20 35 654 bekannt.

"> 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, nach Art eines Roebelstabes auszubilden (DE-PS

ίο ig 32 086). Die einzelnen Teilleiter bei diesem bekannten Roebelstab bestehen jedoch jeweils aus einer einzelnen Leiterader. Unter einem Roebelstab ist eine Anordnung von Teilleitern zu verstehen, bei der jeder Teilleiter innerhalb des Leiteraufbaus bei gleichbleibender Steigung eine periodische Drehung ausführt. Bei Mehrebenen-Roebelstäben kann die periodische Vertauschung der Teilleiter 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.

Weiterhin ist es aus der DE-OS 21 04 600 bekannt, die Leiter eines Supraleiters aus einem verdrillten Vielfach-

2"> seil herzustellen, wobei jedes Teilseil wiederum aus anderen Teilseilen bestehen kann. Die einzelnen Teilseile bzw. Tellleiier sind hierbei jedoch aus einlagig verdrillten Adern zusammengesetzt, die jeweils nur ein einzelnes Filament enthalten. Durch den Aufbau des Supraleiters aus einzelnen voneinander isolierten Leiteradern soiien die bei Viclkernleitern infolge des Eigenfeldes der Leiter auftretenden Hystereseverluste vermieden werden.

Ferner ist aus der ÜE^:OS 20 29 076 noch eine

J5 Supraleitcranordnung bekannt, bei der rechteckförmigc oder runde Leiteradern einlagig um ein Rohr herumgewickelt sind. Bei diesem rohrförmigen Leiter können die Leiteradern aus mehreren in einer Matrix aus nicht supraleitendem Material eingebetteten Supralciierfäden bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es. einen Leiter der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, der einerseits eine Vielzahl von supraleitfähigen Filamenten enthält und andererseits einen großen Lciterqucrschnitt und

*"' damit eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindiingsgcmäß durch einen Leiter gelöst, bei dem mehrere flache Teillciter nach Art eines Roebelstabes zusammengefaßt sind, deren Leiträdern aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem

■"·" Metall und darin eingelagerten Filamcnldrähtcn aus Supralcitermatcrial bestehen.

Durch die crfindungsgcmiiße Rocbclsiab-Anordming von zu flachen feiilcitern verseilten l.eiicradern. die aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem Metal! und

>' darin eingelagerten Filamentdrähten aus Supraleitermaterial bestehen, ist es möglich, volliransponierte Supraleiter hoher Stromlragfähigkeit zur Verfügung zu stellen, die geringe Aufcrrcgungsverluste und eine zeitlich stabile Fcldvertcilung aufweisen.

^M| Vorteilhaft ist es, wenn die Breite und Höhe ties Leilcrqucrschniüs nicht zu stark voneinander abweichen. Vorzugsweise sollte der erfindtingsgemäße Leiter einen nahezu quadratischen Querschnitt aufweisen. Unter einem nahezu quadratischen Querschnitt des

^hl Leiters soll ein Bereich des Seitenverhältnisses von etwa 1:1 bis ! : 2 verstanden werden. Leiter mit einem derartigen Seitenverhältnis eignen sich insbesondere bei großen Leiterquersihnitlen für Spulen, die mit

kleinen Krümmungsradien in zwei Ebenen gewickelt werden sollen.

Als Supraleitermaterial für die eingelagerten FiIamentdrühte, deren Durchmesser 50 μπι nicht überschreiten sollte, eignen sich insbesondere supraleitende Niob-Titan-Legierungen. Als elektrisch normalleitendes Metall kann mit Vorteil Kupfer verwendet werden. Für Wechselstromanwendungen 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 NbjSn, bestehen, welche beispielsweise in einer Matrix aus Kupfer-Zinn-Bronze eingelagert sein. 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 mechanisehen Zugbeanspruchungen ausgeseizt werden, kann es ferner günstig sein, die Teilleiter mit einen Maierial zu verstärken, welches eine höhere mechanische Zugfestigkeit besitzt als das elektrisch normalleitcnde Metall der Leiteradern.

Anhand einiger Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die F i g. I bis 4 zeigen schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiters im Querschnitt beziehungsweise in Draufsicht.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen schematisch weitere beispielhafte Ausführungsformen im Querschnitt.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen im Querschnitt einen aus 19 flachen nebeneinanderliegenden Teilleiteni 1 bis 19 zu einem Roebelstab zusammengefaßten Leiter, leder flache Tcilleiter besteht aus I 1 Leiteradern 20. beispielsweise aus einer Kupfcrmatrix. in die eine Vielzahl von Filamentdrähien aus einer supraleitfähigen Niob-Tilan-Legierung eingelagert sind. .Schemalisch ist dies bei Hen ersten fünf Teillcilern 1 bis 5 der Fig. 1 angedeutet. Beispielsweise kann jede Leiterader mit einem Durchmesser von 0.86 mm. JOO Filamentdrähte mit einem Durchmesser von je 20 μιιι enthalten. Wie aus den Fig. 1 bis 3 deutlich zu erkennen ist. kommen die flachen Teilleiter I bis 10 und 11 bis 19 durch die periodische Vcrtatischung inner'ialb des Roebelstabes abwechselnd in eine der beiden Ebenen des bandförmigen Leiters zu liegen. Die F i g. 4 zeigt denselben Leiter in Draufsicht.

Ein Leiter gemäß vorstehendem Beispiel kann bei einer magnetischen Fhißdiehte von 5 T und bei 4.2 K Ströme· von 40 000 bi·. 50 000 Λ tragen. Er ist somit vornehmlich für den Betrieb von Siipraleitungshochstromspulen. zum Beispiel für plasmaplnsikalischc Anmeldungen geeignet, die mit gepulsten Strömen arbeiten.

Die I- i g. 5 ."eigt eine weitere Ausführungsform ties crfintlungsgcmälkn Leiters. Die Einzelladern 52 tier flachen Teilleiter 51 sind hierbei /iir mechanischen Stabilisierung um ein Hand 5 i aus einem Material hoher Zugfesligkeii verseilt, Geeignet sind für dieses Material Nickcl-Chrom-Lcgierungen. beispielsweise solche mit im wesentlichen etwa 80Gew.-% Nickel und 20Gew.-% Chrom, die unter der Normbezeichnung NiCr 8020 bekannt sind. Wenn für das Band eine sehr hohe Zugfestigkeit erforderlich ist, können vorteilhaft auch faserverstärkte Werkstoffe verwendet werden,
ί 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

in Leiters angeordnet sein, durch die zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes weiteres Kühlmittel strömen kann. Dabei kann ein Kühlkanal beispielsweise zwischen je zwei von mit ihren Breitseiten aneinanderliegenden flachen Teilleitern 61 gebildeten Schichten

ii 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

-''ι 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 KühHinals an

2ΐ Stelle wenigstens eines flachen Teilleiters erreicht weiJen. 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

in 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.

Ji Abgesehen davon, daß der erfindungsgemäße Leiter volltransponiert ist, weist er den Vorteil auf, daß die flachen Teilleiter aus serienmäßig verfügbaren, beziehungsweise herstellbaren Leiteradern aufgebaut werden können. |e nach Anzahl und Aufbau dieser

to wiederum zu einem Roebelstab zusammengefaßten Teilleiter, kann der erfindungsgemüße Leiter für ein Breites Spektrum von Anwendungsfällen in Frage kommen, ohne daß es erforderlich is¹., für jeden einzelnen Anwendiingsi.ill speziell angepaßte l.eiter-

■fi ädern zu konzipieren.

Ferner können die /u den flachen Teilleitcrn zu verseilenden Leiteradern vorher in einfacher Weise Querschniiisvcränderungen unterzogen werden, so daß sich auch dünnste Filamente erzielen lassen. Die

■'■ο vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Leiter&dern haben gegenüber kompakten Flachleitern neben der günstigeren Transponicrung ferner den Vorteil, uaß die supraleitfähigen F'ilanientc durch die Vcrformutigsschritte bei der Leiier-Hcstel-

o lung nicht brcitgequets« ht werden, wie ('.as bei kompakten f^;luchleitern üblicherweise dor Fall ist. Im Gegensatz /u den kompakten Flachlcitcrn zeigen die erfindungsgemäßen Leiter daher praktisch keinen Anisotropicf'ic)". d. h. keine Richtungsabhängigkcit der

ho kritischen Stromstärke in einem äußeren Magnetfeld.

Da sich die Leiteradern in beliebiger Lange herstellen lassen, kann auch der erfindungsgemälie i.eiter eine beliebige Länge aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Volltransponierter bandförmiger Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial 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 Roebelstabes zusammengefaßte Teilleiter (1 bis 19), deren Leiteradern aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem Metall und darin eingelagerten Filamentdrähten aus Supraleiiermaterial bestehen.

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

3. Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Kupfer und die Filamentdrähte aus einer supraleitfähigen Niob-Titan-Legierung bestehen.

4. L^uer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiter (51) mit einem Material (53) mechanisch verstärkt sind, welches eine höhere mechanische Zugfestigkeit besitzt als das elektrisch normalleitende Metall der Leiteradern (52).

5. Leiter nach einem Jer Ansprüche I bis 4, gekennzeichnet durch wenigstens einen Kühlkanal (62).

6. Leiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (62) zwischen je zwei von mit ihren Breitseiten aneinanderliegenden flachen Teilleitern (61) gebilde-cn Sch^: hten angeordnet ist.

7. Leiter nach An'pruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (72) < 'ischen den Breitseiten von zwei flachen Teil leitern (71 Jangeordnet ist.