DE2723744C3

DE2723744C3 - Volltransponierter bandförmiger Leiter

Info

Publication number: DE2723744C3
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: 1982-02-04
Also published as: DE2723744B2; CH627873A5; DE2723744A1; GB1572236A

Description

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 verfitzten 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 Ströme zu vermeiden, sind die Leiter derart verseilt, daß jede Leiterader im Leiter eine periodische Lageveränderung 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 normalleitenden 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 (1971), Seiten 364 bis 366, insbesondere Seite 365, Bild lh, oder aus der DE-OS 2035 654 bekannt

Bekannt ist es ferner, einen bandförmigen Supraleiter, s 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 19 32 086). Die einzelnen Teilleiter bei diesem bekannten Roebelstab bestehen jedoch jeweils aus einer einzelnen Leiterader. Ein gleichfalls nach Art eines Roebelstabes ausgebildeter Supraleiter ist in »IEEE Transactions on Magnetics«, MAG-13, No. 1 (1977), Seiten 807 bis 810, insbesondere Seite 810, Fig. 4, dargestellt Bei diesem bekannten Leiter sind die einzelnen, aus mehreren Leiteradern bestehenden Teilleiter jedoch nicht flach, sondern weisen einen quadratischen Querschnitt auf. Ferner sind die zu einem Teilleiter zusammengefaßten, teilweise aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem Metall und aann eingelagerten supraleitenden Filamenten bestehenden Leiteradern nicht miteinander verseilt oder verfitzt 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 Vielfachseil herzustellen, wobei jedes Teilseil wiederum aus anderen Teilseilen bestehen kann. Die einzelnen Teilseile bzw. Teilleiter 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 sollen die bei Vielkernleitern infolge des Eigenfeldes der Leiter auftretenden Hystereseverluste vermieden werden.

Ferner ist aus der DE-OS 20 29 076 noch eine

Supraleiteranordnung bekannt bei der rechteckförmige 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 Supraieiterfäden 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 Leiterquerschnitt und damit eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Leiter gelöst bei dem mehrere flache Teilleiter nach Art eines Roebelstabes zusammengefaßt sind, deren Leiteradern aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem Metall und darin eingelagerten Filamentdrähten aus Supraleitermaterial bestehen.

Durch die erfindungsgemäße Roebelstab-Anordnung von zu flachen Teilleitern verseilten Leiteradern, die aus einer Matrix aus elektrisch normalleitendem Metall und darin eingelagerten Filamentdrähten aus Supraleitermaterial bestehen, ist es möglich, volltransponierte Supraleiter hoher Stromtragfähigkeit zur Verfügung 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 quadratische.-. Querschnitt des Leiters soll ein Bereich des Seitenverhältnisses von etwa 1:1 bis 1:2 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.

Als Supraleitermaterial für die eingelagerten FiIamentdrähte, deren Durchmesser 50μπι 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 auc^h 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 NbsSn, 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 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 F i g. 1 b^;s 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 Fig. 1 bis 3 zeigen im Querschnitt einen aus 19 flachen nebeneinanderliegenden 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 FOamentdrähten aus einer supraleitfähigen Niob-Titan-Legierung eingelagert sind. Schemalisch ist dies bei den ersten fünf Teilleitern 1 bis 5 der F i g. 1 angedeutet Beispielsweise kann jede Leiterader mit einem Durchmesser von 036 mm, 300 Filamentdrähte mit einem Durchmesse¹* von je 20 μίτι enthalten. Wie aus den F i g. 1 bis 3 deutlich zu erkennen ist, kommen die flachen Teilleiter 1 bis 10 und 11 bis 19 durch die periodische Vertauschung innerhalb 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 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 Supraleitungshochstromspulen, zum Beispiel für plasmaphysikalische Anwendungen geeignet die mit gepulsten Strömen arbeiten.

Die F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiters. Die Einzelladern 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 80Gew.-% Nickel und 20Gew.-% Chrom, die unter der Nonnbezeichnung NiCr 8020 bekannt sind. Wenn für das Band eine sehr hohe Zugfestigkeit erforderlich ist, können vorteilhaft auch faserverstärkte Werkstoffe verwendet werden.

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 Zustandes weiteres Kühlmittel strömen kann. Dabei kann ein Kühlkanal beispielsweise zwischen je zwei von mit ihren Breitseiten aneinanderliegenden flachen Teilleitern 61 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 Teüleiter gewährleistet

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

Ferner können die zu den flachen Teilleitern zu verseilenden Leiteradern vorher in einfacher Weise Querschnittsveränderungen unterzogen werden, so daß sich auch dünnste Filamente erzielen lassen. Die vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Leiteradern haben gegenüber kompakten Flachleitern neben der günstigeren Transponierung 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 e.-'indungsgemäßen Leiter daher praktisch keinen Anisotropieffekt, 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.

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 verfitzten 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 Supraleitermaterial bestehen.

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

4. Leiter 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 der Ansprüche 1 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) gebildeten Schichten angeordnet ist

7. Leiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (72) zwischen den Breitseiten von zwei flachen Teilleitern (71) angeordnet ist