DE2907083C2 - Supraleitende Magnetwicklung mit mehrren Wicklungslagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Magnetwicklung mit mehreren Wicklungslagen aus einem stabilisierten Supraleiter, wobei jede Wicklungslage aus mehreren nebeneinanderliegenden Windungen des Supraleiters besteht, die Windungen benachbarter Wicklungslagen jeweils durch eine schichtförmige Isolation aus elektrisch nichtleitendem Material getrennt sind, der Supraleiter einen oder mehrere gegenseitig unisolierte Einzelleiter mit jeweils einer ^o oder vielen Filamentadem und normalleitendes Stabilisierungsmaterial enthält, benachbarte Windungen durch jeweils mindestens eine Windungsisolation mit elektrisch nichtleitendem Material getrennt sind und die Windungsisolation und die jeweils zu ihr benachbarte Windung gleiche Dicke haben. Eine entsprechende Magnetwicklung ist beispielsweise aus »Proc. of the 6th Int. Conf. on Magn. Tech.« (MT-6), Bratislava, CSSR, 29.8.-2.9. 1977,Seiten996bis 1001 bekannt.

Supraleitende Werkstoffe für derartige Magnetwick- m> lungen sowie Verfahren zum Herstellen der Leiter und der Magnetwicklungen sind bekannt; vergl. DE-OS 44 660 und DE-OS 28 37 199.

Insbesondere bei hohen Belastungsströmen in den Supraleitern einer Magnetwicklung hat sich gezeigt, daß bs Instabilitäten auftreten können, die zu einem örtlichen Übergang von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand (auch »Quench« genannt) oder sogar zur völligen Normalleitung der Wicklung führen können. Diese Instabilitäten sind im wesentlichen auf sogenannte Flußsprünge im supraleitenden Material zurückzuführen. Vorkehrungen gegen solche Instabilitäten sind allgemein unter der Bezeichnung »Stabilisierung« bekannt. Entsprechende Schutzmaßnahmen gehen z. B. aus dem Artikel von P. F. Chester: »Superconducting Magnets« aus »Reports on Progress in Physics«, VoL 30, No. 2,19b7, Seiten 561 bis 610, insbesondere Seiten 586 bis 596 hervor. Danach wird im allgemeinen normalleitendes Material hoher elektrischer Leitfähigkeit wie z. B. aus Kupfer oder Aluminium (vgL z. B. DE-GbM 19 38 722), das mit den Supraleitern elektrisch gekoppelt ist, in der Wicklung angeordnet. Bei einem örtlichen Quench kann dann das normalleitende Material den Strom an dieser Stelle zumindest teilweise übernehmen, und die dabei entwickelte Wärme kann — vorausgesetzt, daß die örtliche Überschreitung des kritischen Stromes innerhalb gewisser Grenzen bleibt — vom Kühlmittel abgeführt werden, so daß sich das normalleitende Gebiet nicht weiter ausdehnt. Werden dann die kritischen Werte an dieser Steile wieder unterschritten, so kehrt der Supraleiter wieder in den supraleitenden Zustand zurück. Man spricht in diesem Fall von einer vollständigen Stabilisierung.

Aber selbst bei Verwendung vollstabilisierten Materials und fehlerfreier Konstruktion der Wicklung können Störungen auftreten, die zu einem unbeabsichtigten Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand führen. Um die supraleitende Magnetwicklung in diesem Fall gegen eine irreversible Schädigung zu schützen, wird im allgemeinen die in der Wicklung gespeicherte Feldenergie in einen außerhalb der Wicklung liegenden ohmschen Widerstand ausgekoppelt, in dem dann die Energie verbraucht wird (vgl. »Cryogenics«. Juni 1964, Seiten 153 bis 165). Zugleich ist aufgrund der Stabilisierung des supraleitenden Materials zu gewährleisten, daß die Energiefreisetzung bei einem Quench verlangsamt wird, wodurch der in der Wicklung umgesetzte Energiebetvat vermindert und schließlich durch ohmsche Erwärmung und Wärmeleitung der Übergang in den normalleitenden Zustand schnell auf die gesamte Wicklung ausgedehnt wird. Es kann so die Energiefreisetzung in einem einzigen Punkt verhindert werden.

Die Stabilisierung kann z. B. bei monolithischen Supraleitern in den Leiter integriert sein oder bei Leiterseilen bzw. Flechtleitern aus besonderen Stabilisierungssträngen bestehen, die in entsprechender Anzahl gemeinsam mit supraleitenden Einzelleitern verseilt bzw. verflochten sind (vgl. »Kerntechnik«, 20. Jahrgang, 1978, Heft 6, Seiten 253 bis 261).

Der zur Stromleitung im Betriebszustand der Magnetwicklung erforderliche supraleitende Leiterquerschnitt des Leiters, der auch als »aktiver« Leiterquerschnitt bezeichnet wird, ist durch den Querschnitt des normalleitenden Stabilisierungsmaterials entsprechend begrenzt. Außerdem sind in einer Magnetwicklung zwischen Leitern in benachbarten Windungen und Lagen Isolationsteile erforderlich, die das Querschnittsverhältnis zwischen supraleitendem Material in der Wicklung zu nicht-supraleitendem Material weiter vermindern. Dieses als Packungsfaktor bezeichnete Verhältnis ist somit entsprechend klein.

Dieser Packungsfaktor einer supraleitenden Magnetwicklung wird noch verkleinert, falls Supraleiter vorgesehen werden sollen, die noch sogenannte Diffusionsbarrieren in Form von Schichten aus geeigne-

ten Materialien wie z. B. Tantal enthalten. Mit diesen Diffusionsbarrieren soll verhindert werden, daß bei der Reaktionsgiühung von Leitervorprodukten zur Ausbildung der supraleitenden Eigenschaften eine Reaktionskomponente wie beispielsweise Zinn in das Stabilisierungsmaterial diffundiert und so die elektrische Leitfähigkeit dieses Materials beeinträchtigt und außerdem zur Bildung der supraleitenden Verbindung des Leiters fehlt. Durch den für die Diffusionsbarrieren erforderlichen Materialquerschnitt wird somit der »aktive« Leiterquerschnitt weiter verringert

Der sogenannte »passive« Leiterquerschnitt ist außerdem noch durch Kupferschichten, die unter Umständen auf den Tantalschichten als Ziehhilfen aufgetragen werden müssen und die bei der Reaktionsgiühung durch Eindiffundieren einer Reaktionskomponente wie beispielsweise des Zinns beeinträchtigt werden, sowie durch alle nicht unbedingt erforderlichen Isolatk/nsmaterialien vergrößert.

Aus der DE-OS 14 64 308 ist eine supraleitende Magnetwicklung mit mehreren Wicklungslagen aus einem Supraleiter bekannt der aus einem Draht aus supraleitfähigen) Material besteht Jede Wxklungslage ist dabei aus mehreren nebeneinanderliegenden Windungen dieses supraleitfähigen Drahtes gebifdet, wobei benachbarte Windungen jeder Wicklungsiage jeweils durch eine Isolation getrennt sind, die zugleich als Abstandselement dient Als hierfür geeignete Isolation werden dünne Drähte mit einem gegenüber dem Querschnitt der benachbarten supraleitfähigen Drähte ganz wesentlich kleineren Querschnitt aus einem elektrisch leitenden Material wie z. B. aus Kupfer angesehen, die gegebenenfalls mit einer dünnen Hülle aus einem dielektrisch wirkenden Isolierstoff überzogen sein können. Bei dieser Wicklung wird nämlich von der Überlegung ausgegangen, daß die Leitfähigkeit der dünnen Kupferdrähte im Vergleich zu der der supraleitfähigen Drähte so gering ist, daß die Kupferdrähte als Isolatoren angesehen werden können. Aus diesem Grunde sind auch zwischen benachbarten Wicklungslsgen dünne Kupferfolien als Isolatoren vorgesehen. Aufgrund des geringen Querschnitts der isolierenden Kupferdrähte können diese praktisch keine stabilisierende Wirkung auf die benachbarten supraleitfähigen Drähte ausüben. Jedoch werden sie für eine Energieauskopplung als geeignet angesehen. Maßnahmen zur vollen Stabilisierung von Supraleitern gegen bereichsweises Normalleitendwerden durch elektrisch gekoppelte Normalleiter mit ausreichendem Querschnitt wurden in der Fachwelt erst zu einem späteren Zeitpunkt bekannt (vgi. τ. B. W. Buckel: Supraleitung — Grundlagen und Anwendungen, 2. Auflage, Weinheim 1977, Sei?e228). Fragen eines Packungsfaktors können somit bei der bekannten Magnetwicklung nicht gegeben sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die supraleitende Magnetwicklung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß ihr aufgrund einer Stabilisierung mit normalleitendem Material begrenzter Packungsfaktor an supraleitendem Querschnitt weiter erhöht ist, ohne daß dabei die Stabilisierung ihres Leiters wesentlich beeinträchtigt wird. Insbesondere soll die Magnetwicklung auch aus einem Supraleiter bestehen können, dessen supraleitende Eigenschaften nach der sogenannten »wind-and-react-Technik« erst in der Wicklung gebildet werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Windungsisolation jevgils einen Kern aufweist, der

zumindest den größeren Teil des Stabiltsierungsmaterials für den Supraleiter einer benachbarten Windung enthält

Die Stabilisierung des Leiters, der beispielsweise ein monolithischer Leiter mit in einem Matrixmaterial eingebetteten supraleitenden Filamentadern oder der ein Leiterseil aus mehreren Einzelleitern mit jeweils einer oder mehreren supraleitenden Adern sein kann, ist somit großenteils oder vollständig aus dem eigentlichen Leiterquerschnitt in die Windungsisolation verlegt Die damit verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der von dem normalleitenden Material bisher ausgefüllte Leiterquerschnitt nunmehr auch für supraleitende Leiterteile zur Verfügung steht, d.h. daß der »aktive« Leiterquerschnitt entsprechend vergrößert ist Außerdem ist auch der Stabilisierungsgrad der Magnetwicklung gegenüber einer entsprechend aufgebauten Magnetwicklung, bei der die Windungsisolation kein Stabilisierungsmaterial enthält, erhöht

Das Stabilisierungsmaterial ist somit innerhalb der Windungsisolation angeordnet Der an die Dimensionen der benachbarten Supraleiter a^epaßte Querschnitt der Windungsisolation ist nämlich irsr allgemeinen für eine betriebssichere Isolation zwischen Leitern benachbarter Windungen nicht vollständig erforderlich. Somit kann der Anteil des »passiven« Leiterquerschnittes an Isoliermaterial entsprechend verringert sein. Der Übergang des Stromes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Material erfolgt dabei zumindest weitgehend auf induktivem Weg.

Das in die Isolationsteile integrierte Stabilisierungsmaterial kann außerdem vorteilhaft für eine induktive Energieauskopplung aus der Magnetwicklung herangezogen werden.

Außerdem wird im Falle einer imprägnierung der Magnetwicklung das Trainingsverhalten der Wicklung günstig beeinflußt, da bei einem hohen Packungsfaktor entsprechend geringe Anteile an Imprägniermittel zur Fixierung der Leiter der Magnetwicklung erforderlich sind.

Bei der Magnetwicklung nach der Erfindung können vorteilhaft die supraleitenden Eigenschaften ihres Supraleiters durch eine »in-situ-Glühung« eines entsprechenden Leitervorproduktes nach dem Wickeln der Magnetwicklung gebildet sein. Für einen solchen Leiter sind nämlich keine Diffusionsbarrieren und zusätzlichen Kupferschichten als Ziehhilfe erforderlich, da das Stabilisierungsmaterial keinen direkten Kontakt mit dem Material des Leiters hat. Damit ergibt sich neben einer Einsparung von Material- und Fertigungskosten vor allem eine Reduzierung des passiven Leiterquerschnitts und somit eine Erhöhung der effektiven Stromdichte im Leiter und in der Wicklung.

Die !solationsteile iür solche »in situ« zu glühenden Magiietwicklungen können insbesondere aus Glas, Quarz oder Keramik sein. Diese Materialien halten nämlich die zur Ausbildung der supraleitenden Eigenschaften der Supraleiter erforderlichen Wärmebehandlung ohne weiteres aus.

Weitere Ausfr'dungen der ivlagnetwicklung nach der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand der schematischen Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung noch weiter erläutert. Dabei ist in

Fig. 1 ein Teil einer Magnetwicklung mit einem bekannten Supraleiter angedeutet, während in

Fig. 2 ein entsprechender Supraleiter für eine Magnetwicklung gemäß der Erfindung dargestellt ist.

In dem in Fig. I als Querschnitt dargestellten Ausschnitt aus einer Magnetwicklung ist ein Supraleiter 2 mit annähernd rechteckigem Querschnitt ersichtlich, der beispielsweise dem aus der Veröffentlichung »Kerntechnik«, 1978, Seite 260 bekannten Leiter ■■, entspricht. Dieser Leiter enthalt zwei Lagen aus jeweils sechs nebeneinanderliegenden Leiterslrüngen, die jeweils etwa gleiche, beispielsweise kreisförmige Querschnittsflächen haben. Acht der mit 4 bezeichneten Leiterstränge sind supraleitende Einzelleiter, deren id supraleitende Eigenschaften erst nach dem Aufbau der Magnetwicklung mit einem entsprechenden Leitervorprodukt (»in situ«) in der Magnetwicklung durch eine Wärmebehandlung erzeugt werden. Jeder Einzelleiter enthält eine Vielzahl von in einer Matrix eingebetteten |-, supraleitenden Filamentadern, die miteinander verdrillt sein können. Die vier übrigen, mit 5 bezeichneten Leiterstränge des Supraleiters 2 enthalten jeweils einen sich entlang des Stranges erstreckenden inneren Bereich 6 aus einem Stabilisierungsmetall, beispieiswei- _>o se aus Kupfer, der von einer diffusionshemmenden Schicht 7, beispielsweise aus Tantal, umschlossen ist. Diese Schicht 7 ist ihrerseits von einer Außenschicht 8 aus dem Stabilisierungsmetall umgeben. Die acht supraleitenden Einzelleiter 4 sind mit den Stabilisie- >-> rungsleitern 5 derart zu einem Flachleiter versciit, daß jeder Strang 4 mit einem Strang 5 in Berührung steht. Das Flachseil ist im allgemeinen zur Kalibrierung auf einen kompakten Rechteckquerschnitt warmgewalzt (vgl. DE-OS 27 36 157). Die damit verbundenen jo Deformationen der einzelnen Leiterstränge 4 und 5 wurden jedoch in der Figur der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

Dieser Flachseil-Supraleiter 2 ist innerhalb der Magnetwicklung gegenüber entsprechenden, in der j. Figur nur angedeuteten Supraleitern 9 und 10 von benachbarten Wicklungslagen jeweils durch eine schichtförmige Lagenisolation ·ί bzw. 12 aus elektrisch nichtleitendem Material getrennt. Diese Lagenisolationen können für »in situ« zu glühende Magnetwicklungen vorteilhaft aus Quarzgeweben bestehen.

Außerdem ist der Supraleiter 2 in derselben Wicklungslage von dem Supraleiter 13 einer benachbarten Windung durch eine Windungsisoiation 14, beispielsweise einen Glasfaden, getrennt. Entsprechende Windungsisolationen sind deshalb jeweils zwischen den einander zugewandten Längsseiten benachbarter Supraleiter angeordnet. Ihre Dicke und im Falle eines kreisförmigen Querschnittes ihr Durchmesser sind dabei zweckmäßig gleich dem gegenseitigen Abstand der Lagenisolationen 11 und 12.

Eine aus solchen Supraleitern 2 und Glasfaden 14 aufgebaute Magnetwicklung hat jedoch einen verhältnismäßig begrenzten Packungsfaktor. Sowohl der Querschnitt der Windungsisolation 14 als auch im Betriebsfalle der Querschnitt der Stabilisierungsleiter 5 sind nämlich als passive Leiterquerschnitte anzusehen.

Gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß das ganze Stabilisierungsmaterial des Supraleiters nicht in dem Flachseil untergebracht ist, sondern zumindesl großenteils in die Windungsisolation verlegt wird, die zur Isolation zwischen Supraleitern in benachbarten Windungen einer gemeinsamen Wicklungslage dient. Eine entsprechende Ausführungsform eines solchen Leiters mit einer Windungsisolation ist in Fig. 2 als Querschnitt veranschaulicht. Der mit 16 bezeichnete Flachseil-Leiter soll die gleichen Leiterdimensionen wie der Leiter 2 gemäß F i g. 1 haben. F.r unlerscheidet sich von diesem aber dadurch, daß nunmehr alle zwölf in zwei Lagen angeordneten Einzelleiter 4 aus supraleitendem Werkstoff bestehen; d. h. die Stabilisierungsstränge 5 des Leiters 2 gemäß F i g. I sind durch entsprechende supraleitende Einzelleiterstränge 4 ersetzt. Die mit 17 bezeichnete Windungsisolalion enthält bei gleichen Dimensionen wie der Glasfaden 14 nach Fig. 1 einen zentralen Kern 18 aus dem Stabilisierungsmaterial, der von einer Isolierschicht 19 umgeben ist. Diese isolierschicht kann beispielsweise aus einem Quarzfaden gewickelt sein. Zur Beabstandung zwischen Supraleitern 16 und Windungsisolationen 17 von entsprechenden Bauteilen in benachbarten Wicklungslagen dienen die Lagenisolationen 11 und 12 nach Fig. I.

Diese Isolationsteile 11, 12, 19 für »in situ« zu glühende Magnetwicklungen bestehen vorteilhaft aus Glas, Quarz oder Keramik und werden im allgemeinen als Vlies, oder Gewebe zur Lagenisolation oder als Umspinnung bzw. Umflechtung oder als parallel zur Windung gelegter Faden zur Isolation benachbarter Windungen vorgesehen.

Abweichend von dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der beanspruchten Magnetspulenwicklung können die Lagenisolationen 11 und 12 in bekannter Weise auch durch isolierende Umhüllungen um den jeweiligen Supraleiter gebildet sein (vgl. DE-OS 26 07 329, Seite 6, Zeilen ! bis 8).

Die Magnetspulenwicklung nach der Erfindung kann auch aus bereits durchreagierten Supraleitern hergestellt werden. In diesem Falle bietet die Verwendung von Aluminium als Stabilisierungsmaterial insbesondere den Vorteil eines kleinen ohmschen Widerstandes, eines verhältnismäßig geringen Magnetowiderstandes und die Möglichkeit, durch Aufbringen einer nichtleitenden Schicht, beispielsweise durch Bildung einer Aluminiumoxidschicht, eine besonders dünne Isolierschicht zu erhalten.

Gemäß den Figuren wurde angenommen, daß die Isolation zwischen Supraleitern in benachbarten Windungen einer Wicklungslage durch strangförmige Windungsisolationen 17 entsprechender Dicke ertolgt. die einen Kern 18 aus Stabilisierungsmaterial aufweist.

Sowohl aus Einzelleitern verseilte Leiter als auch monolithische Leiter können jedoch zur gegenseitigen Isolation auch von Isolationsteilen umgeben, beispielsweise umwickelt sein, wobei diese Isolationsteile einen Kern aus Stabilisierungsmaterial aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Supraleitende Magnetwicklung mit mehreren Wicklungslagen aus einem stabilisierten Supraleiter, wobei jede Wicklungslage aus mehreren nebeneinanderliegenden Windungen des Supraleiters besteht, die Windungen benachbarter Wicklungslagen jeweils durch eine schichtförmige Isolation aus elektrisch nichtleitendem Material getrennt sind, der Supraleiter einen oder mehrere gegenseitig unisolierte Einzelleiter mit jeweils einer oder vielen Filamentadem und normalleitendes Stabilisierungsmaterial enthält, benachbarte Windungen durch jeweils mindestens eine Windungsisolation mit elektrisch nichtleitendem Material getrennt sind, die Windungsisolation und die jeweils zu ihr benachbarte Windung gleiche Dicke haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungsisolation (17) jeweils einen Kern (18) aufweist, der zumindest den größeren Teil des Stabilisierungsmaterials für den Supraleiter (16) einer benachbarten Windung enthält.

2. Magnetwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungsisolation (17) einen zentralen Aluminiumkern (18) und eine dünne Isolierschicht (19) aus Aluminiumoxid enthält.

3. Magnetwicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungsisolation (17) mit dem ihr zuzuordnenden Supraleiter (16) mechanisch verbunden ist.

4. Magnetwicklung nach Anspruch 1 mit Windungen aus eii^rn stabilisierten Supraleiter, dessen supraleitende Eigenschaften durch eine in-situ-Glühung eines entsprechenden Leitervorproduktes in der Magnetwicklung gebildet ·.' id, gekennzeichnet y, durch Isolationsteile (11,12,19) aus Glas, Quarz oder Keramik.