DE4109781A1 - Supraleitfaehige litze fuer wechselstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitfähige Litze für Wechselstrom, mit einem nichtmagnetischen Kern und mit supraleitfähigen Drähten. Solche Litzen finden z. B. in Transformatoren oder dergleichen Verwendung, in denen ein Wechselstrom fließen muß.

Ein supraleitfähiger Draht für Wechselstrom hat einen reduzierten Durchmesser, und sein Durchmesser wird gewöhnlich auf etwa 0,1 mm festgelegt. Wenn jedoch der Drahtdurchmesser klein ist, so wird auch dessen Stromleitungsvermögen klein; wird ein supraleitfähiger Draht für eine supraleitfähige Spule verwendet, so wird deshalb eine vorgegebene Zahl von supraleitfähigen Drähten miteinander verseilt, um eine supraleitfähige Litze zu bilden.

Wie Fig. 1 zeigt, hat eine übliche supraleitfähige Litze im allgemeinen einen Aufbau, bei dem Litzen aus Litzendraht miteinander verseilt werden, z. B. sechs primäre Litzen 2, von denen jede dadurch hergestellt ist, daß sieben supraleitfähige Drähte 1 miteinander verseilt werden, werden auf der Außenseite eines nichtmagnetischen Kerns 3 verseilt, welch letzterer Drähte aus rostfreiem Stahl oder dergleichen enthält. Im allgemeinen wird eine primäre Litze 2 aus drei, sieben oder neunzehn supraleitfähigen Drähten gleichen Durchmessers ausgeführt, um eine leichte Verseilung zu ermöglichen.

In einem supraleitfähigen Draht, in welchem ein Wechselstrom fließt, wird durch die Wechselstromverluste Wärme erzeugt, und es ist deshalb erforderlich, den supraleitfähigen Draht ausreichend zu kühlen. Da aber eine übliche supraleitfähige Litze für Wechselstrom einen Aufbau hat, bei welchem Litzen, die ihrerseits aus verseilten Drähten gebildet sind, miteinander verseilt werden, ist die Wärmeabfuhr von den supraleitfähigen Drähten im inneren Abschnitt der supraleitfähigen Litze niedriger als diejenige bei den supraleitfähigen Drähten am äußeren Abschnitt der supraleitfähigen Litze, und deshalb zeigt sich bei den inneren Drähten eine Tendenz zur Temperaturerhöhung, was zu einem plötzlichen Verlust der Supraleitung führen kann, der auch als Quenching bezeichnet wird. Besonders dann, wenn die supraleitfähige Litze zwecks Isolation mit einem Epoxiharz imprägniert wird, wird diese Tendenz zur Temperatursteigerung bei den inneren Drähten signifikant.

Da ferner eine übliche supraleitfähige Litze dadurch hergestellt wird, daß man eine Mehrzahl von primären Litzen verseilt, die ihrerseits jeweils aus einer vorgegebenen Zahl verseilter supraleitfähiger Drähte gebildet sind, kann die Zahl der verwendeten supraleitfähigen Drähte nicht kontinuierlich geändert werden, und es ist manchmal unmöglich, den Anforderungen nach einer Litze für eine bestimmte Stromkapazität zu entsprechen.

Bei dieser Art von üblicher supraleitfähiger Litze werden dünne Isolierschichten für die supraleitfähigen Drähte und den Kern dadurch gebildet, daß Isolierlack auf ihnen eingebacken bzw. eingebrannt wird; die isolierenden Schichten werden im allgemeinen mit einer Dicke von etwa 10 µm ausgebildet. Jedoch zeigt sich bei den üblichen isolierenden Schichten eine Tendenz, daß zwischen den Drähten eine fehlerhafte Isolation auftreten kann, und zwar wegen der Bildung kleiner Löcher, auch als Pinholes bekannt, ferner wegen Unregelmäßigkeiten beim Backen und wegen Beschädigungen der Drähte beim Vorgang des Verseilens und der Litzenbildung. Ist nun die isolierende Schicht defekt und man läßt einen Wechselstrom in der supraleitfähigen Litze fließen, so fließt ein abnormaler Kopplungsstrom zwischen den supraleitfähigen Drähten, oder zwischen dem supraleitfähigen Draht 1 und dem Draht 3 aus rostfreiem Stahl, und zwar infolge des Induktivitätsunterschiedes, und hierdurch entsteht eine partielle Wärmeerzeugung, welche den supraleitenden Zustand unterbricht.

Eine Aufgabe der Erfindung wird deshalb darin gesehen, eine supraleitfähige Litze für Wechselstrom zu schaffen, bei der durch Wechselstromverluste erzeugte Wärme wirkungsvoll abgeführt werden kann, so daß der supraleitende Zustand stabil erhalten bleibt und das als Quenching bezeichnete Phänomen nicht oder nur schwer auftreten kann.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitfähige Litze für Wechselstrom zu schaffen, welche eine stabile Isolation zwischen dem Kern und dem supraleitfähigen Draht aufrechterhält, um das Fließen von Kopplungsstrom infolge fehlerhafter Isolation zu verhindern und eine partielle Wärmeerzeugung selbst dann zu unterdrücken, wenn einige Löcher ("Pinholes") in der Isolierschicht des supraleitfähigen Drahtes gebildet werden oder beim Ofentrocknen bzw. Einbrennen der Isolierschicht Unregelmäßigkeiten auftreten.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitfähige Litze für Wechselstrom zu schaffen, bei welcher die Zahl der supraleitfähigen Drähte frei wählbar ist, damit man eine gewünschte Stromkapazität erhalten kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer eingangs genannten supraleitfähigen Litze gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen. Eine solche Litze weist also einen unmagnetischen Kern auf, sowie nicht weniger als dreizehn supraleitfähige Drähte, deren Durchmesser jeweils kleiner ist als derjenige des Kerns. Letzterer wird bevorzugt aus Draht aus rostfreiem Stahl oder Titan ausgebildet, und die supraleitfähigen Drähte werden in einer einzigen Lage auf dem Außenumfang des Kerns verseilt.

Mit besonderem Vorteil wird zwischen dem Kern und den auf ihm aufgebrachten supraleitfähigen Drähten eine elektrisch isolierende geflochtene Schicht vorgesehen, um eine stabile Isolation zwischen dem Kern und den supraleitfähigen Drähten aufrechtzuerhalten.

Mit großem Vorteil wird der supraleitfähige Draht als Filamentleiterdraht mit einer großen Zahl supraleitfähiger Filamente aus oder mit NbTi ausgebildet.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung, welche den Aufbau einer üblichen supraleitfähigen Litze darstellt,

Fig. 2 einen Schnitt analog Fig. 1 durch eine supraleitfähige Litze für Wechselstrom nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt, welcher den Aufbau eines der supraleitfähigen Drähte der supraleitfähigen Litze der Fig. 2 darstellt,

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt, welcher einen Ausschnitt entsprechend dem Kreis IV der Fig. 3 zeigt,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine supraleitfähige Litze für Wechselstrom nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 6 einen Schnitt, welcher den Aufbau einer 7×7 Sekundärlitze zeigt, welche so ausgebildet ist, daß ihre Leistung mit derjenigen einer erfindungsgemäßen supraleitfähigen Litze für Wechselstrom verglichen werden kann.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen supraleitfähigen Litze für Wechselstrom. Diese Litze 10 wird dadurch gebildet, daß man eine vorgegebene Zahl von supraleitfähigen Drähten 11, z. B. zweiundzwanzig supraleitfähige Drähte, auf dem Außenumfang eines Kerns 13 in einer einzigen Lage miteinander verseilt. Da die supraleitfähigen Drähte 11 in Form einer einzigen Lage verseilt sind, kann die Zahl der verseilten supraleitfähigen Drähte 11 frei auf eine gewünschte Zahl eingestellt werden, die gleich oder größer ist als 13, und zwar indem man den Außendurchmesser des Kerns 13 in geeigneter Weise einstellt; dadurch kann man eine gewünschte Stromleitkapazität erreichen.

Der Kern 13 ist als Litze ausgebildet mit einem Außendurchmesser von 0,855 mm, und zwar durch Verseilen von sieben Drähten 14 aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 0,265 mm, wobei auf jedem von ihnen eine dünne Polyesterschicht 15 mit einer Schichtstärke von 10 µm ausgebildet ist.

Der Kern 13 muß nichtmagnetisch sein, einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Steifigkeit haben, und deshalb verwendet man bevorzugt einen nichtmagnetischen Draht aus rostfreiem Stahl oder aus Titan als Kern. Auch kann der Kern aus mehreren Drähten verseilt sein, oder er kann als einzelner runder Draht ausgebildet sein. Auf jedem der supraleitfähigen Drähte 11 ist eine dünne Polyesterschicht mit einer Dicke von 10 µm ausgebildet, und der Durchmesser des Drahtes beträgt 0,14 mm, vgl. die nachfolgende Beschreibung.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den Aufbau eines supraleitfähigen Drahtes 11. Zu seiner Herstellung werden zuerst CuNi-Cu- Drähte 11a und CuNi-NbTi-Drähte 11b hergestellt. Der CuNi- Cu-Draht 11a wird gebildet, indem man einen Barren aus sauerstofffreiem Kupfer in ein CuNi-Rohr einbringt, welch letzteres 10 Gew.-% Nickel und den Rest Kupfer enthält und dieses Gebilde dann durch Extrudieren und Drahtziehen zu einem Draht mit sechseckigem Querschnitt verarbeitet. Der CuNi-NbTi-Draht 11b wird gebildet, indem man zunächst Barren aus NbTi, welche 50 Gew.-% Nb und 50 Gew.-% Ti enthalten, in die bereits beschriebenen CuNi-Rohre steckt und diese Gebilde durch Extrudieren und Drahtziehen zu primären Drähten mit sechseckigem Querschnitt verarbeitet und dann fünfundachtzig primäre Drähte in ein CuNi-Rohr einfügt und dieses Gebilde durch Extrudieren und Drahtziehen zu einem Draht von sechseckigem Querschnitt verarbeitet.

Dann werden fünfundachtzig CuNi-Cu-Drähte 11a im zentralen Abschnitt gebündelt, einhundertachtundsechzig CuNi-NbTi- Drähte 11b werden auf deren Außenseite angeordnet, wie das Fig. 3 zeigt, und die so erhaltene Drahtanordnung wird in das CuNi-Rohr 11c eingefügt, dessen Außendurchmesser durch Extrudieren und Drahtziehen auf 0,12 mm reduziert wird. Die Außenseite des gebildeten Drahtes wird mit einer dünnen Polyesterschicht 11d überzogen, um einen supraleitfähigen Draht 11 mit einem fertigen Außendurchmesser von 0,14 mm zu bilden. Der so erhaltene supraleitfähige Draht 11 hat etwa 15 500 supraleitfähige Filamente, und der durchschnittliche äquivalente Durchmesser von NbTi ist 0,5 µm. Das Verhältnis der Querschnittsflächen von Cu : CuNi : NbTi des Drahtes 11 ist 0,2 : 2,5 : 1,0.

Da bei der supraleitfähigen Litze 10 für Wechselstrom mit dem beschriebenen Aufbau die supraleitfähigen Drähte 11 alle auf dem Außenumfang des Kerns 13 angeordnet sind, können die Drähte 11 gleichmäßig und wirkungsvoll gekühlt werden, wenn die supraleitfähige Litze durch Verwendung eines Kühlmediums, z. B. flüssigen Heliums, gekühlt wird, und der Wert des Übergangsstromes bei Wechselstrom, bei dem also das Quenching auftritt, kann im Vergleich zu der üblichen supraleitfähigen Litze gemäß Fig. 1 erhöht werden.

Fig. 5 zeigt eine supraleitfähige Litze 20 für Wechselstrom nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Litze 20 weist eine geflochtene Schicht 26 mit einer Dicke von 60 µm als elektrisch isolierende Schicht zwischen dem Kern 13 der in Fig. 2 dargestellten supraleitfähigen Litze 10 und den supraleitfähigen Drähten 11 auf, welche auf dem Außenumfang des Kerns 13 angeordnet sind. Als Werkstoff für die geflochtene Schicht 26 werden bevorzugt Polyesterfasern, Glasfasern und dergleichen verwendet. Der Kern 23 der Litze 20 wird gebildet, in dem man sieben Drähte 24 aus rostfreiem Stahl miteinander verseilt, die jeweils einen Durchmesser von 0,175 mm haben und jeweils mit einer isolierenden Polyesterschicht 25 mit einer Dicke von 10 µm beschichtet sind. Die supraleitfähigen Drähte 11, die in einer einzigen Lage bzw. Schicht auf dem Außenumfang der geflochtenen Schicht 26 verseilt sind, sind dieselben wie bei der supraleitfähigen Litze 10 der Fig. 2. Der Außendurchmesser der Litze 20 bei diesem Ausführungsbeispiel ist 0,985 mm.

Es ist auch möglich, eine geflochtene Schicht aus Polyesterfasern, mit einer Dicke von z. B. 60 µm, bei der Ausführungsform nach Fig. 5 auf dem Außenumfang der supraleitfähigen Drähte 11 aufzubringen, und in diesem Fall wird der Gesamt-Außendurchmesser etwa 1,105 mm.

Wird die geflochtene Schicht 26 als elektrisch isolierende Schicht zwischen dem Kern und den supraleitfähigen Drähten 11 angeordnet, so wirkt diese geflochtene Schicht als Pufferglied, und die supraleitfähige Litze behält ihre Flexibilität, wodurch verhindert wird, daß die dünne Isolierschicht der supraleitfähigen Drähte durch Reibung zwischen dem Kern und den supraleitfähigen Drähten während der Verseilungs- und Verdrahtungsarbeiten beschädigt wird. Wenn sich kleine Löcher (Pinholes) bilden oder beim Ofentrocknen bzw. Einbrennen Unregelmäßigkeiten in der isolierenden Schicht der supraleitfähigen Drähte auftreten, bleibt die Isolation zwischen dem Kern und dem betreffenden supraleitfähigen Draht 11 erhalten, und infolgedessen ergibt sich eine stabile Isolation zwischen dem Kern und den supraleitfähigen Drähten mit ihren verschiedenen Induktivitäten, und es wird verhindert, daß ein abnormaler Koppelstrom zwischen dem Kern und den supraleitfähigen Drähten fließt. Dadurch wird es möglich, einen stabilen supraleitfähigen Zustand aufrechtzuerhalten.

Auch ermöglicht es die Anwesenheit der geflochtenen Schicht, daß mit Epoxiharz oder dergleichen leicht imprägniert werden kann.

Die Wirkung, die man erhält, indem man die supraleitfähigen Drähte 11 in einer einzigen Lage verseilt, wurde experimentell bestätigt. Hierzu wurde die in Fig. 5 dargestellte supraleitfähige Litze 20 für Wechselstrom verglichen mit der supraleitfähigen Litze 30 gemäß Fig. 6 für Wechselstrom. Die supraleitfähige Litze 30 gemäß Fig. 6 für Wechselstrom wird hergestellt, indem sieben primäre Litzen 30a hergestellt werden, von denen jede gebildet wird durch Verseilung von sieben supraleitfähigen Drähten 11 und anschließendes Verseilen der sieben primären Litzen 30a zu einer 7×7 verseilten Litze. Bei diesem Experiment wurden supraleitende Magnete gebildet durch Aufwickeln der supraleitfähigen Litzen 20 bzw. 30 als Muster auf entsprechende FRP-Spulenkörper in einer nicht-induktiven Art und durch Imprägnieren derselben mit Epoxiharz. Die Wechselströme, bei denen das Quenching, also der Übergang vom supraleitenden in den nichtsupraleitenden Zustand auftrat, wurden gemessen, wobei die Spulen in ein äußeres magnetisches Wechselfeld eingebracht wurden. Als Ergebnis wurden die Verhältnisse der tatsächlichen Quenching-Wechselströme der supraleitenden Litzen 20 und 30 zu einem kritischen Gleichstrom der supraleitenden Litze, abgeleitet vom kritischen Gleichstrom des supraleitenden Drahtes, zu 62 bzw. 44 bestimmt. Dadurch konnte die Wirksamkeit der in einer einzigen Lage verseilten Litze nachgewiesen werden.

Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich. Insbesondere kann durch Erhöhung des Kerndurchmessers die Zahl der supraleitfähigen Drähte in Schritten von einem Draht über die dargestellten Drahtzahlen hinaus erhöht werden. Die angegebenen Zahlenwerte, z. B. für Durchmesser oder Schichtdicken, stellen bevorzugte Werte dar, die andere Werte nicht ausschließen.

Claims (10)

1. Supraleitfähige Litze für Wechselstrom, mit einem nichtmagnetischen Kern (3; 13; 23) und mit supraleitfähigen Drähten (11), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens dreizehn supraleitfähige Drähte (11) vorgesehen sind, die jeweils einen kleineren Durchmesser haben als der Kern (3; 13; 23) und einlagig auf dem Außenumfang des Kerns (3; 13; 23) aufgebracht sind.

2. Supraleitfähige Litze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3; 13; 23) aus nichtmagnetischem Draht (14; 24) aus rostfreiem Stahl ausgebildet ist.

3. Supraleitfähige Litze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3; 13; 23) aus nichtmagnetischem Draht (14; 24) aus Titan ausgebildet ist.

4. Supraleitfähige Litze nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (13; 23) verseilt ausgebildet ist.

5. Supraleitfähige Litze nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) als einzelner, runder Draht ausgebildet ist.

6. Supraleitfähige Litze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitfähige Draht (11) als Filamentleiterdraht (Fig. 3) ausgebildet ist.

7. Supraleitfähige Litze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitfähige Draht (11) supraleitfähige Filamente (11b) aus NbTi aufweist.

8. Supraleitfähige Litze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kern (23) und den auf ihm aufgebrachten supraleitfähigen Drähten (11) eine elektrisch isolierende geflochtene Schicht (26) vorgesehen ist.

9. Supraleitfähige Litze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die geflochtene Schicht (26) aus Polyesterfasern ausgebildet ist.

10. Supraleitfähige Litze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die geflochtene Schicht (26) aus Glasfasern ausgebildet ist.