DE3823938A1 - Isolation um einen stabilisierten supraleiter und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Isolation vor­ bestimmter mechanischer Festigkeit um einen stabilisierten Supraleiter mit zumindest weitgehend rechteckigem Querschnitt, die mit Aussparungen versehen ist, in denen ein ungehinderter Zutritt eines Kühlmittels an die Oberfläche des Supraleiters ermöglicht ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Isolation. Entsprechend isolierte Supraleiter sind z.B. aus der Veröffentlichung "IEEE Trans­ actions on Magnetics", Vol. MAG-19, No. 3, Mai 1983, Seiten 189 bis 194 bekannt.

Mit supraleitenden Wicklungen lassen sich bekanntlich Magnet­ felder mit magnetischen Flußdichten von z.B. über 1 Tesla (T) besonders vorteilhaft erzeugen. In solchen supraleitenden Wick­ lungen wird in vielen Fällen das Leitermaterial hinsichtlich seiner kritischen Stromdichte (Stromtragfähigkeit) besonders hoch ausgenutzt und/oder mechanisch besonders stark bean­ sprucht. Es zeigt sich dann jedoch, daß die Wicklungen zu einem sogenannten "Training" neigen. Unter diesem Phänomen ist zu verstehen, daß die Leiter zunächst bereits bei kleinen Stromwerten in den normalleitenden Zustand übergehen. Sie müssen deshalb erneut auf Betriebstemperatur abgekühlt werden und erreichen den Auslegungswert ihres Erregerstromes erst nach einigen oder vielen Abkühlungs- und Erregerzyklen (vgl. z.B. "IEEE Transactions on Magnetics", Vol. MAG-17, No. 1, Jan. 1981, Seiten 863 bis 872). Als Hauptursachen für ein derartiges Training werden kleine lokale Energiedissipationen angesehen, die z.B. durch Leiterbewegungen oder Rißausbreitung im Struktur- oder Isolationsmaterial ausgelöst werden.

Typische Beispiele für hochausgenutzte, stark beanspruchte Wicklungen sind die rotierenden Feldwicklungen supraleitender Generatoren und die langgestreckten oder gekrümmten, oft nicht-planaren Teilwicklungen von Strahlführungsmagneten für die Hochenergiephysik. Zum Einsatz kommen hierbei vor allem verseilte, bisweilen auch massive Supraleiter, die im allge­ meinen rechteckige oder nahezu rechteckige Querschnitte auf­ weisen (vgl. z.B. DE-OS 26 54 924 oder DE-PS 16 14 582).

Damit entsprechende Wicklungen mit solchen Supraleitern mög­ lichst trainingsfrei betrieben werden können, muß die elek­ trische Isolation der verwendeten Leiter so ausgelegt und gestaltet sein, daß sie auch bei geringem Raumbedarf eine hohe mechanische Pressung bzw. Vorspannung zur Festlegung des Leiters im Wicklungsverbund zuläßt. Hierbei auftretende Kräfte liegen typisch im Bereich von 10 bis 30 N/mm². Außerdem muß im Betrieb eine effektive Kühlung bei gleichzeitig zuverlässi­ ger Isolation gewährleistet sein. Aus diesem Grunde sollte die Isolation wenigstens stellenweise einen Kühlmittelzutritt direkt zur Leiteroberfläche ermöglichen und Windungsspannungen zwischen benachbarten Leitern im Bereich von einigen 100 V und Spannungen gegen Masse typischerweise von mehreren kV zulassen.

Bisher wurden für rechteckförmige Supraleiter derartiger Wick­ lungen im wesentlichen folgende Isolationskonzepte verwirk­ licht:

• a) Lackisolierte Massivleiter wurden beispielsweise durch eine Naßwickeltechnik oder eine Vakuum-Druckimprägnierung fest­ gelegt. Hierbei wird zwar eine gute mechanische Fixierung der Leiter erreicht; jedoch ist die Isolation nur mittel­ mäßig. Auch ist die Kühlung der Leiter stark behindert.
• b) Die Supraleiter werden mit Folien- oder Gewebebändern voll umbandelt, wobei gegebenenfalls Fixierharz mit verwendet wird. Hierbei ergeben sich jedoch dieselben Schwierigkeiten wie bei Konzept a).
• c) Es wird auch eine Vollumbandelung mit Folienbändern vorge­ sehen, um die zusätzlich eine Schicht aus Gewebeband auf Abstand gewickelt wird. Auf diese Weise entstehen um den Leiter herum Kanäle für einen Kühlmitteldurchtritt. Dennoch sind hierbei nur eine mäßige Fixierung, mäßige Isolation und eine mäßige Kühlung zu erreichen.
• d) Der Supraleiter wird ausschließlich mit starken, auf Ab­ stand gewickelten Folienbändern umbandelt, so daß die Lei­ teroberfläche teilweise direkt vom Kühlmittel benetzt wer­ den kann. Die Kühlung ist dementsprechend gut; jedoch können hierbei Fixierungs- und Isolationsprobleme auftreten.
• e) Einem blanken supraleitenden Flachleiter wird beim Wickeln der Wicklung eine Windungsisolation in Form von vorgefertig­ ten Streifen oder Formteilen beigelegt. Eine Flanken-Teil­ isolation erfolgt dabei in Kombination mit einer Nutaus­ kleidung oder mit beigelegten Streifen. Hiermit werden zwar eine gute mechanische Preßbarkeit und auch eine ausrei­ chende Kühlwirkung erreicht; jedoch ist die Isolation mäßig. Außerdem ist der Fertigungsaufwand insbesondere bei ge­ kröpften Wicklungen sehr hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Isolation der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß sie auf verhältnismäßig einfache Weise herstellbar ist, wobei die bei den erwähnten Isolationskonzepten auftretenden Probleme zu­ mindest weitgehend nicht gegeben sein sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die den Supraleiter zunächst vollständig umgebende Isolation nach­ träglich die Aussparungen im Bereich zumindest einer der Sei­ tenflächen des Supraleiters eingearbeitet sind.

Mit dieser Ausgestaltung der Isolation ergeben sich insbeson­ dere die folgenden Vorteile: Ein Isolier-Lack oder eine um­ bandelte Isolier-Folie können allein nach Gesichtspunkten der Zuverlässigkeit der Isolation, der mechanischen Festigkeit bei der Fertigung und im Betrieb, sowie der Verarbeitbarkeit beim Wickeln und Biegen des Leiters ausgelegt werden. Dabei braucht vorteilhaft auf Kühlerfordernisse keine Rücksicht genommen zu werden. Hierbei können Kriechstrecken von Leiter zu Leiter deutlich größer als die doppelte Isolationsstärke ausgebildet werden, da die Isolation auf alle Fälle die Leiterkanten jedes Supraleiters umgreift. Die bei bekannten Konzepten vorgesehenen Kühlöffnungen in Isolationsbändern können folglich beim Wickeln nicht auf der Leiteroberfläche verrutschen. Ferner bildet der Leiter mit seiner Isolation vorteilhaft eine robuste, vorgefertigte und vorprüfbare Einheit. Er kann auf einfache Weise verwickelt und verlegt werden. Außerdem ermöglicht eine große Variationsbreite der Ausführung der Isolation eine An­ passung an die jeweiligen Anwendungsfälle.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der erfindungsge­ mäßen Isolation ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausspa­ rungen in die Isolation mittels eines physikalischen Prozesses, insbesondere mit Hilfe eines Laser-Strahles, eingearbeitet wer­ den. Ein solcher Prozeß läßt sich ohne weiteres so steuern, daß eine unerwünschte Schädigung der Oberfläche des Supraleiters nicht auftritt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Isolation bzw. des Verfahrens zu ihrer Herstellung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 schematisch ein Supraleiteraufbau mit einer erfindungsgemäßen Isolation veran­ schaulicht ist. Fig. 2 zeigt schematisch als Ausschnitt die Herstellung von Aussparungen in einer solchen Isolation. In den Figuren sind übereinstimmende Teile mit demselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht auf einen Ausschnitt aus dem Aufbau einer supraleitenden Wicklung 2. Diese Wicklung enthält einen Stapel aus einzelnen Supraleitern 3 bis 5. Jeder Supra­ leiter hat eine etwa rechteckige Querschnittsform und somit zwei gegenüberliegenden Flachseiten 6 a und 6 b und zwei gegen­ überliegenden Schmalseiten 7 a und 7 b. Um die Leiter ist jeweils eine elektrische Isolation 9 angeordnet, die eine hinreichende mechanische Festigkeit aufweisen soll und beispielsweise aus einem gewickelten Folienband 9 a bestehen kann. In dieses Fo­ lienband sind erfindungsgemäß nachträglich im Bereich der Schmalseiten 7 a und 7 b Aussparungen 10 a bis 10 c z.B. verschie­ dener Form eingearbeitet, so daß Zonen zur direkten Oberflä­ chenkühlung des jeweiligen Leiters entstehen. Das Abtragen des Folienmaterials bzw. das Einarbeiten oder Ausschneiden der Aus­ sparungen geschieht dabei vorteilhaft mit an sich bekannten physikalischen Verfahren, bei denen z.B. Ultraschall oder eine elektromagnetische Strahlung eingesetzt wird. Diese Verfahren sind unter dem Gesichtspunkt auszuwählen, daß eine Schädigung des Supraleiters vermieden wird. Besonders geeignet erscheint deshalb der Einsatz einer Laserstrahlung vorbestimmter Inten­ sität. Gemäß der dargestellten Ausführungsform der supraleiten­ den Wicklung 2 stehen so die Flachseiten 6 a und 6 b der supra­ leitenden Rechteckleiter 3 bis 5 zur Weitergabe von starken Preßkräften F über die Vollisolation an den jeweils benach­ barten Leiter zur Verfügung. Unter einer Vollisolation wird da­ bei eine den jeweiligen Leiter vollständig umschließende Isolie­ rung ohne besondere Öffnungen bzw. Aussparungen oder sonstige Zwischenräume verstanden. Vorteilhaft können so Preßkräfte F von mehr als 10 N/mm² übertragen werden. Die Schmalseiten 7 a und 7 b (Leiterflanken) tragen die Aussparungen 10 a bis 10 c, die den ungehinderten Zutritt von flüssigem Helium (LHe) als Kühl­ mittel K an die jeweilige Leiteroberfläche ermöglichen. Diese Flankenkühlung durch eine Konvektion in dem Kühlmittel K ist durch gepfeilte Linien angedeutet.

Statt der in Fig. 1 veranschaulichten Stapelwicklung, die sich z.B. in einer Nut eines Generatorläufers befindet, kann die supraleitende Wicklung 2 auch eine andere Wicklungsform auf­ weisen. So kann sie beispielsweise als Scheibenwicklung oder als Lagenwicklung ausgeführt sein.

Bei den Leitern der supraleitenden Wicklung 2 handelt es sich um an sich bekannte Ausführungsformen von Supraleitern, die zu­ mindest teilweise stabilisiert sind. Dabei ist dem supralei­ tenden Material des Leiters elektrisch und thermisch gut-lei­ tendes Material wie z.B. Kupfer oder Aluminium beigefügt. Durch eine hinreichend intensive Kühlung dieses normalleitenden Ma­ terials läßt sich dann erreichen, daß eine normalleitend ge­ wordene Stelle im supraleitenden Material ohne Betriebsunter­ brechung in den supraleitenden Zustand zurückgeführt werden kann. Entsprechende Supraleiter für die Wicklung 2 sind insbesondere als massive (monolithische), als verseilte oder auch als verröbelte Leiter ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Isolation 9 läßt sich beispielsweise ge­ mäß Fig. 1 mit Folienbändern 9 a aufbauen. Dabei sind die Band­ breiten, Schichtzahlen und Überlappungsgrade weitgehend frei wählbar. Geeignete Folienmaterialien, die auch die Übertra­ gung hinreichend großer Preßkräfte bei gleichzeitig guter elektrischer Spannungsfestigkeit ermöglichen, sind an sich be­ kannte Kunststoffe. Sie können beispielsweise spezielle thermo­ stabile Polyimide oder spezielle aromatische Polyamide sein, die z.B. unter dem Handelsnamen "Kapton" bzw. unter dem Handels­ namen "Nomex" bekannt sind.

Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer elektrischen Isola­ tion ist in Fig. 2 angedeutet. Hierbei sei ein supraleiten­ der Rechteckleiter 5 zugrundegelegt, der aus mehreren ver­ seilten Einzelleitern 12 aufgebaut ist. Jeder Einzelleiter enthält eine Vielzahl von supraleitenden Leiteradern 13, die in einer Matrix 14 aus einem stabilisierenden Material wie z.B. aus Kupfer oder Aluminium eingebettet sind. Um diesen Recht­ eckleiter 5 ist zunächst eine elektrische Vollisolation 9′ mit einem Folienband 9 a gewickelt. Anschließend werden dann in diese Vollisolation 9′ einzelne (diskrete) Aussparungen 10 c beispielsweise mit dem Strahl 16 eines Lasers eingearbeitet. Hierbei sind die örtliche Anordnung der einzelnen Aussparungen, deren Form, Größe und Anzahl in weiten Grenzen frei wählbar, wobei natürlich die auftretenden Preßkräfte und Spannungsver­ hältnisse sowie die Kühlanforderungen zu berücksichtigen sind. In der Darstellung der Fig. 2 ist angenommen, daß lediglich an der Schmalseite 7 a (und entsprechend an der gegenüberliegenden, nicht dargestellten Schmalseite 7 b) des Rechteckleiters 5 Aus­ sparungen 10 c vorgesehen werden sollen. Gegebenenfalls kann man aber auch an mindestens einer der Flachseiten 6 a und 6 b ent­ sprechende Aussparungen ausbilden.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel kann ein supralei­ tender Rechteck-Seilleiter 5 mit etwa 5 mm Dicke D und etwa 15 mm Breite B zunächst mit einer Vollisolation 9′ aus 50 µm starken "Kapton"-Bändern 9 a oder aus 80 und 250 µm starken "Nomex"-Bändern versehen werden. Mit einem CO₂-Laser der Nennleistung 1 kW lassen sich dann in diese Vollisolation kreisförmige Aussparungen 10 c mit etwa 2,5 mm Durchmesser ein­ schneiden, ohne daß es zu einem merklichen Anschmelzen des Materials der Matrix 14 kommt. Der CO₂-Laser kann hierfür fol­ gende Daten haben: Strahldurchmesser 0,15 mm; Strahlintensität 6,7×10⁷ W/cm²; Pulsdauer 0,1 µsec, Pulspause 3 µsec. Die mit einem entsprechenden Laserstrahl beaufschlagten Teilflächen der Folien 9 a karbonisieren, wobei ein sehr feiner rußartiger Staub entsteht. Dieser Staub kann jedoch ohne weiteres abgesaugt oder abgewischt werden. Die ausgebildeten Schnittkanten sind dabei sauber und ohne Schmelzwulst.

Statt des beschriebenen CO₂-Lasers können selbstverständlich auch andere Lasertypen wie z.B. Excimer-Laser eingesetzt wer­ den.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon ausge­ gangen, daß die Herstellung der Aussparungen 10 a bis 10 c nach der Ausbildung der Vollisolation 9′ und vor einem Aufbau einer supraleitenden Wicklung erfolgt. Gegebenenfalls ist es jedoch auch möglich, die supraleitende Wicklung mit Supraleitern auf­ zubauen, deren Vollisolation noch nicht mit den Aussparungen ausgestattet ist. In diesem Falle werden dann die Aussparungen erst nach dem Aufbau der Wicklung mit den Leitern, eventuell sogar nach einem Imprägnieren der Wicklung, in die Vollisola­ tion der einzelnen Leiter von den freien Flächen der Wicklung her eingearbeitet. Eine solche Technik kann beispielsweise für Scheibenspulen vorgesehen werden, die z.B. als flankengekühlte Wicklungsmoduln ausgebildet sind.

Claims (6)

1. Elektrische Isolation vorbestimmter mechanischer Festigkeit um einen stabilisierten Supraleiter mit mindestens weitgehend rechteckigem Querschnitt, die mit Aussparungen versehen ist, in denen ein ungehinderter Zutritt eines Kühlmittels an die Ober­ fläche des Supraleiters ermöglicht ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in die den Supraleiter (3 bis 5) zunächst vollständig umgebende Isolation (9′) nachträglich die Aussparungen (10 a bis 10 c) im Bereich zumindest einer der Seitenflächen (6 a, 6 b, 7 a, 7 b) des Supraleiters (3 bis 5) eingearbeitet sind.

2. Isolation nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auslegung für Preßkräfte (F) in Normalenrichtung auf die Flachseiten (6 a, 6 b) des Supraleiters (3 bis 5) von minde­ stens 10 N/mm².

3. Isolation nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich­ net durch eine Umwicklung des Supraleiters (3 bis 5) mit mindestens einem Kunststoffband (9 a) oder durch einen Über­ zug des Supraleiters mit einem Kunststoffmaterial.

4. Isolation nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich­ net durch einen Verguß des Supraleiters mit einem ausge­ härteten Kunststoffmaterial.

5. Verfahren zur Herstellung der Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aussparungen (10 a bis 10 c) mittels eines physikalischen Prozesses in die Isolation (9′) eingearbeitet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Einarbeitung der Aussparungen (10 c) ein Laser-Strahl (16) vorgesehen wird.