EP0014915A1 - Supraleitende Magnetwicklung mit mehreren Wicklungslagen - Google Patents

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EP0014915A1
EP0014915A1 EP19800100644 EP80100644A EP0014915A1 EP 0014915 A1 EP0014915 A1 EP 0014915A1 EP 19800100644 EP19800100644 EP 19800100644 EP 80100644 A EP80100644 A EP 80100644A EP 0014915 A1 EP0014915 A1 EP 0014915A1
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EP
European Patent Office
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winding
conductor
insulation
superconductor
superconducting
Prior art date
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Application number
EP19800100644
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French (fr)
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EP0014915B1 (de
Inventor
Hanns-Jörg Weisse
Karl Dr. Wohlleben
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP0014915B1 publication Critical patent/EP0014915B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor

Definitions

  • the invention relates to a magnetic winding with turns of stabilized superconductors, each containing a plurality of uninsulated superconducting conductor parts and normal conductive material for stabilization, in which at least one insulation element is arranged between superconductors of adjacent turns.
  • a corresponding magnetic winding is, for example, from "Proc. Of the 6th Int. Conf. On Magn. Techn.” (MT-6), Bratislava, CSSR, August 29. - 2.9.1977, pages 996 to 1001 known.
  • the superconducting material of the conductors of this known magnetic winding can in particular be an intermetallic compound of the type A 3 B with an A15 crystal structure such as, for example, Nb 3 Sn or V 3 Ga.
  • Such leaders have good superconducting properties, are characterized by high critical values and are therefore particularly suitable for superconducting magnet windings for generating strong magnetic fields.
  • ternary connections such as niobium-aluminum-germanium Nb 3 Al 0.8 Ge 0.2 are also of particular interest for conductors of such magnetic windings.
  • intermetallic compounds are generally very brittle, so that their production in a form suitable, for example, for magnetic coils is difficult. Special processes have therefore been developed with which superconductors with this A15 crystal structure are produced in the form of long wires or strips can. In these methods, which in particular enable the production of so-called multi-core conductors, a first component, which is a wire-shaped, ductile element of the intermetallic compound to be produced, is surrounded, for example, with a sheath which consists of a ductile carrier metal and an alloy containing the remaining elements of the compound consists.
  • a niobium or vanadium wire is surrounded by a sheath made of a copper-tin-bronze or a copper-gallium-bronze.
  • a large number of such wires can also be embedded in a matrix made of the alloy.
  • the structure obtained from these two components is then subjected to a cross-sectional machining. This results in a long wire-shaped structure, as is required for coils, without reactions which would embrittle the conductor.
  • the one or more wire cores and the surrounding one become Subsequent superconductor matrix material of a superconductor is subjected to an annealing treatment such that the desired superconducting compound having an A15 crystal structure is formed by a reaction of the core material with the further element of the compound contained in the surrounding matrix.
  • the element contained in the matrix diffuses into the core material consisting of the other element of the connection (cf. German Offenlegungsschrift 20 44 660).
  • Superconducting magnet windings made from such superconductors are generally produced by two different processes.
  • the first method which is also referred to as the "react first-wind then method”
  • a preliminary conductor product of the superconductor to be produced is wound onto a provisional winding body and then subjected to the annealing treatment required to form the desired superconducting compound.
  • the superconductor thus produced is unwound again from the provisional winding body and can be processed further.
  • a superconducting magnetic winding must also be protected against irreversible damage in the event of an unintentional transition from the superconducting to the normally conducting state.
  • the field energy stored in the winding is generally decoupled into an ohmic resistance lying outside the winding, in which the energy is then consumed (cf. "Cryogenics", June 1964, pages 153 to 165).
  • a protective measure for such a transition also known as a “quench”
  • normally conductive material with high electrical conductivity such as e.g. made of copper or aluminum.
  • stabilization With this normally conductive material called stabilization, it can be ensured that the energy release is slowed down during a quench, whereby the amount of energy converted in the winding is reduced and, finally, the transition into the normally conductive state is quickly extended to the entire winding by ohmic heating and heat conduction.
  • the energy release can thus be prevented in a single point.
  • Stabilization can e.g. in the case of monolithic superconductors, be integrated in the conductor or, in the case of conductor ropes or braided conductors, consist of special stabilizing strands, the corresponding number of which are stranded or intertwined with superconducting individual conductors (cf. "Kerntechnik", 20th year, 1978, volume 6, pages 253 to 261).
  • the superconducting conductor cross section of the conductor which is also referred to as the “active” conductor cross section, is accordingly limited by the cross section of the normally conductive stabilizing material for the current conduction of the magnetic winding.
  • insulation parts are required in a magnetic winding between conductors in adjacent turns and layers, which further reduce the cross-sectional ratio between superconducting material in the winding and non-superconducting material. This ratio, known as the packing factor, is accordingly small.
  • This packing factor of a superconducting magnet coil is further reduced if the superconductor pre - want to see, which still contain so-called diffusion barriers in the form of layers of suitable materials such as tantalum. These diffusion barriers are intended to prevent a reaction component, such as tin, from diffusing into the stabilizing material during the reaction annealing of conductor precursors to form the superconducting properties and thus impairing the electrical conductivity of this material and also to form the superconducting connection of the conductor is missing.
  • the "active" conductor cross section is thus further reduced by the material cross section required for the diffusion barriers.
  • the so-called "passive" conductor cross-section is further increased by copper layers, which may have to be applied to the tantalum layers as drawing aids and which are impaired in the reaction annealing by diffusion of a reaction component such as tin, and by all insulation materials which are not absolutely necessary.
  • the object of the present invention is therefore to provide a superconducting magnet winding which has a relatively large packing factor.
  • the magnetic winding should also be able to contain superconductors whose superconducting properties are only formed in the winding using the wind-and-react technique.
  • the insulation element contains at least part of the stabilizing material for an adjacent superconductor.
  • the stabilization of the conductor which can be, for example, a monolithic conductor with superconducting filaments embedded in a matrix material or a conductor rope made of several individual conductors, each containing one or more superconducting cores, is thus partially or completely moved from the actual conductor cross section to the winding insulation .
  • the associated advantages are in particular that the conductor cross-section previously filled with the normally conductive material is now also available for superconducting conductor parts, ie the "active" conductor cross-section is increased accordingly.
  • the degree of stabilization of the magnetic winding compared to a correspondingly constructed magnetic winding in which the winding insulation contains no stabilizing material is also increased.
  • the stabilizing material is thus arranged within the insulation element.
  • the cross section of the insulation element which is adapted to the dimensions of the adjacent superconductors, is generally not completely necessary for reliable insulation between conductors of adjacent turns.
  • the proportion of the “passive” conductor cross section in the insulating material can thus be reduced accordingly.
  • the stabilizing material integrated in the insulation parts can also be used advantageously for inductive energy extraction from the magnetic winding.
  • the training behavior of the winding is favorably influenced, since with a high packing factor, correspondingly small amounts of impregnating agent are required to fix the conductors of the magnetic winding.
  • the superconducting properties of its superconductors can advantageously be formed by in-situ annealing of corresponding conductor preliminary products in the magnetic winding.
  • the stabilizing material has no direct contact with the material of the conductor. In addition to saving material and manufacturing costs, this results in a reduction in the passive conductor cross-section and thus an increase in the effective current density in the conductor and in the winding.
  • the insulation parts for such magnetic windings to be glued in situ can be made in particular of glass, quartz or ceramic. This is because these materials easily withstand the heat treatment required to develop the superconducting properties of the superconductors.
  • a size applied to its insulation parts is advantageously completely removed from the winding immediately before the in-situ annealing. In this way, the occurrence of graphite-containing residues during annealing, which lead to deterioration in insulation, can be avoided.
  • FIG. 1 A part of a magnetic winding with a known superconductor is indicated in FIG. 1, while a corresponding superconductor for a magnetic winding according to the invention is shown in FIG. 2.
  • a superconductor 2 with an approximately rectangular cross section can be seen, for example that from the publication "Kerntechnik", 1978, page 260 corresponds to the known conductor.
  • This conductor contains two layers of six adjacent conductor strands, each of which has approximately the same, for example circular, cross-sectional areas.
  • Eight of the conductor strands denoted by 4 are superconducting individual conductors, the superconducting properties of which are generated in-situ in the magnet winding by heat treatment only after the magnetic winding has been built up with a corresponding preliminary conductor product.
  • Each individual conductor contains a large number of superconducting wires embedded in a matrix, which can be twisted together.
  • the drawn conductor strands of the superconductor 2 each contain an inner region 6, which extends along the strand and is made of a stabilizing metal, for example of copper, which is enclosed by a diffusion-inhibiting layer 7, for example of tantalum. This layer 7 is in turn surrounded by an outer layer 8 made of the stabilizing metal.
  • the eight superconducting individual conductors 4 are stranded with the stabilizing conductors 5 to form a flat conductor in such a way that each strand 4 is in contact with one strand 5.
  • the flat rope is generally hot-rolled for calibration to a compact rectangular cross-section (cf. DE-OS 27 36 157).
  • the associated deformations of the individual conductor strands 4 and 5 have been omitted in the figure for the sake of clarity.
  • This flat cable superconductor 2 is separated from adjacent winding layers by a layer insulation 11 and 12, respectively, within the magnet winding compared to corresponding superconductors 2 and 10, which are only indicated in the figure. These locations Insulations can advantageously be made of quartz fabrics for magnetic windings to be annealed in situ.
  • the superconductor 2 in the same winding layer is separated from the superconductor 13 of an adjacent turn by an insulation element 14, for example a glass thread.
  • an insulation element 14 for example a glass thread.
  • Corresponding insulation elements are therefore arranged between the mutually facing longitudinal sides of adjacent superconductors. Their diameter is expediently equal to the mutual spacing of the layer insulations 11 and 12.
  • the entire stabilizing material of the superconductor is not guided in the flat rope, but is at least partially laid in the insulation element which serves for insulation between superconductors in adjacent turns of a common winding layer.
  • a corresponding embodiment of such a conductor and insulation element is illustrated in FIG. 2 as a cross section.
  • the flat cable conductor designated 16 should have the same conductor dimensions as the conductor 2 according to FIG. 1. It now contains twelve superconducting individual conductors 4 arranged in two layers; ie The stabilization strands 5 of the conductor 2 according to FIG. 1 are replaced by corresponding superconducting individual conductor strands 4.
  • the insulation element designated 17 contains the same dimensions as the glass thread 14 according to FIG.
  • This insulating layer can, for example, be wound from a quartz thread.
  • the layer insulations 11 and 12 according to FIG. 1 serve for spacing between superconductors 16 and insulating elements 17 from corresponding components in adjacent winding layers.
  • These insulation parts 11, 12, 19 for magnetic windings to be annealed in situ advantageously consist of glass, quartz or ceramic and are generally provided as a fleece or fabric for layer insulation or as braiding or braiding or as a thread laid parallel to the winding for the insulation of adjacent windings .
  • sizes are applied to them during manufacture, which reduce the sensitivity to notching and improve the cohesion of these insulation parts.
  • the sizes generally consist of special fats and starches. If they are not removed before the reaction annealing of the conductor material, they decompose to graphite during the annealing and thus deteriorate the insulation properties of the insulation parts 11, 12, 19.
  • the sizes applied are therefore advantageously built up immediately before the reaction annealing of the conductors in the corresponding conductor preliminary products Magnet winding removed from the winding.
  • an enzymatic process can be provided be in which the starch contained in the size is broken down with the help of enzymes and the breakdown products z. B. washed out with water.
  • the winding is initially at elevated temperature, for example 80 ° C., with a suitable fat-dissolving agent, for example an aqueous solution containing chlorinated hydrocarbon such as tri- or perchlorethylene or detergents washed out long.
  • solvent residues are removed by heating or evacuating the winding and the winding is heated to the desizing temperature.
  • desizing temperature temperatures between 95 and 120 ° C are suitable (desizing agent "Enzylase HT", company Diamalt AG; D-8000 Kunststoff).
  • the desizing solution which has also been heated, (for example 1 to 5 g of Enzylase ET per liter of water) is pressed through the winding under pressure, the vapor pressure of the boiling solution (for example about 1.4 bar at 110 ° C.) advantageously being used .
  • the desizing solution is drained off and the winding is then thoroughly washed out with a volatile solvent which is readily miscible with water, such as acetone or alcohols.
  • a volatile solvent which is readily miscible with water, such as acetone or alcohols.
  • the magnetic coil winding according to the invention was first wound from as yet unreacted conductor preliminary products of a superconductor and then the entire magnetic coil winding was annealed in situ in order to obtain the desired superconducting materials by a diffusion process.
  • a magnetic coil winding according to the invention can, however, just as well also be produced from conductors which have already reacted through.
  • the use of aluminum as a stabilizing material offers in particular the advantage of a small ohmic resistance, a relatively low magnetoresistance and the possibility of obtaining a particularly thin insulating layer by applying a non-conductive layer, for example by forming an aluminum oxide layer.
  • the superconducting conductor parts of the superconductor for the magnetic winding according to the invention also need not be superconducting cores of individual conductors. Rather, they can also be superconducting filaments of a monolithic superconductor embedded in a matrix material.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnetwicklung mit Windungen aus stabilisierten Supraleitern, die jeweils mehrere unisolierte supraleitende Leiterteile und normalleitendes Material zurStabilisierung enthalten, in der zwischen den Supraleitern benachbarter Windungen jeweils mindestens ein Isolationselement angeordnet ist Entsprechende bekannte Magnetwicklungen haben jedoch nur einen begrenzten Packungsfaktor. da der Anteil an Querschnitt des Stabilisierungsmaterials und Isolationsmaterials im Vergleich zum supraleitenden Material verhältnismäßig groß ist. Die Erfindung sieht deshalb vor, daß das Isolationselement (17) zumindest einen Teil des Stabilisierungsmaterials (18) für einen benachbarten Supraleiter (16) enthält, d.h. das Stabilisierungsmaterial des Supraleiters ist zumindest teilweise in das Isolationselement (17) integriert. Die Magnetwicklung kann insbesondere Supraleiter (16) enthalten, deren supraleitende Eigenschaften durch eine in-situ-Glühung entsprechender Leitervorprodukte in der Magnetwicklung gebildet sind (Fig. 2).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetwicklung mit Windungen aus stabilisierten Supraleitern, die jeweils mehrere unisolierte supraleitende Leiterteile und normalleitendes Material zur Stabilisierung enthalten, in der zwischen Supraleitern benachbarter Windungen jeweils mindestens ein Isolationselement angeordnet ist.
  • Eine entsprechende Magnetwicklung ist beispielsweise aus "Proc. of the 6th Int. Conf. on Magn. Techn." (MT-6), Bratislava, CSSR, 29.8. - 2.9.1977, Seiten 996 bis 1001 bekannt.
  • Das supraleitende Material der Leiter dieser bekannten Magnetwicklung kann insbesondere eine intermetallische Verbindung vom Typ A3B mit A15-Kristallstruktur wie beispielsweise Nb3Sn oder V3Ga sein. Solche Leiter haben gute Supraleitungseigenschaften, zeichnen sich durch hohe kritische Werte aus und sind deshalb besonders für Supraleitungsmagnetwicklungen zum Erzeugen starker Magnetfelder geeignet. Neben den genannten Binärverbindungen sind auch Ternärverbindungen wie beispielsweise Niob-Aluminium-Germanium Nb3Al0,8Ge0,2 für Leiter solcher Magnetwicklungen besonders interessant.
  • Diese intermetallischen Verbindungen sind jedoch im allgemeinen sehr spröde, so daß ihre Herstellung in einer beispielsweise für Magnetspulen geeigneten Form mit Schwierigkeiten verbunden ist.Es sind deshalb besondere Verfahren entwickelt worden, mit denen Supraleiter mit dieser A15-Kristallstruktur in Form langer Drähte oder Bänder hergestellt werden können. Bei diesen Verfahren, die insbesondere eine Herstellung von sogenannten Vielkernleitern ermöglichen, wird beispielsweise eine erste Komponente, die ein drahtförmiges ,duktiles Element der herzustellenden intermetallischen Verbindung ist, mit einer Hülle umgeben, die aus einem duktilen Trägermetall und einer die übrigen Elemente der Verbindung enthaltenden Legierung besteht. Beispielsweise wird ein Niob- oder Vanadium-Draht mit einer Hülle aus einer Kupfer-Zinn-Bronze bzw. einer Kupfer-Gallium-Bronze umgeben. Man kann auch eine Vielzahl solcher Drähte in eine Matrix aus der Legierung einlagern. Der so gewonnene Aufbau aus diesen beiden Komponenten wird dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen. Dadurch erhält man ein langes drahtförmiges Gebilde, wie es für Spulen benötigt wird, ohne daß Reaktionen auftreten, die den Leiter verspröden würden. Nach der Querschnittsverringerung wird dann das aus einem oder mehreren Drahtkernen und dem umgebenden Matrixmaterial bestehende Leitervorprodukt eines Supraleiters einer Glühbehandlung derart unterzogen, daß die gewünschte supraleitende Verbindung mit A15-Kristallstruktur durch eine Reaktion des Kernmaterials mit dem in der umgebenden Matrix enthaltenen weiteren Element der Verbindung gebildet wird. Das in der Matrix enthaltene Element diffundiert dabei in das aus dem anderen Element der Verbindung bestehende Kernmaterial ein (vgl. deutsche Offenlegungsschrift 20 44 660).
  • Supraleitende Magnetwicklungen aus solchen Supraleitern werden im allgemeinen nach zwei verschiedenen Verfahren hergestellt. Bei dem ersten Verfahren, das auch als "react first-wind then-Verfahren" bezeichnet wird, wickelt man auf einen provisorischen Wickelkörper ein Leitervorprodukt des herzustellenden Supraleiters auf und setzt es dann der erforderlichen Glühbehandlung zur Bildung der gewünschten supraleitenden Verbindung aus. Daran anschließend wird der so hergestellte Supraleiter wieder von dem provisorischen Wickelkörper abgewickelt und kann weiterverarbeitet werden. Dabei besteht, insbesondere beim Wickeln vom Magnetwicklungen, allgemein die Gefahr, daß die sprödem intermetallischen Verbindungen des Leiters aufgrumd unzulässiger Verformung des Leiters beschädigt und ihre supraleitenden Eigenschaften dementsprechend beeinträchtigt werden.
  • Diese Gefahren bestehen bei dem zweiten Verfahren zur Herstellung der supraleitenden Verbindung aus dem Leitervorprodukt nicht. Bei diesem Verfahren, das auch als "wind-and-react-Technik" bezeichnet wird, bewickelt man zunächst den Spulenkörper des mit der Wicklung zu versehenden Magneten mit dem noch nicht durchreagierten Leitervorprodukt des Supraleiters und setzt dann den gesamten so bewickelten Magneten der Diffusionsglühung aus. Diese Glühung wird auch als "in-situ"-Glühung bezeichnet. Bei dieser Verfahrensweise werden alle Schwierigkeiten der Verarbeitung eines spröden Leitermaterials vermieden. Auch ist es so möglich, Spulen mit kleinen Innendurchmessern mit noch verhältnismäßig dicken Leitern zu fertigen. Bei diesem Verfahren müssen jedoch alle zum Bau der Spule verwendeten Materialien die für die Diffusionsglühung erforderlichen hohen Temperaturen, die beispielsweise im Falle von Niob-Zinn bei 700°C liegen können, mehrere Stunden lang aushalten.
  • Eine supraleitende Magnetwicklung muß außerdem gegen eine irreversible Schädigung im Falle eines unbeabsichtigten Überganges vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand geschützt werden. Hierzu 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). Als Schutzmaßnahme bei einem solchen, auch als "Quench" bezeichneten Übergang wird im allgemeinen normalleitendes Material hoher elektrischer Leitfähigkeit wie z.B. aus Kupfer oder Aluminium in die Wicklung eingebracht. Mit diesem als Stabilisierung bezeichneten normalleitenden Material kann gewährleistet werden, daß die Energiefreisetzung bei einem Quench verlangsamt wird, wodurch der in der Wicklung umgesetzte Energiebetrag 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 is 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 nichtsupraleitendem Material weiter vermindern. Dieses als Packungsfaktor bezeichnetes Verhältnis ist somit entsprechend klein.
  • Dieser Packungsfaktor einer supraleitenden Magnetwicklung wird noch verkleinert, falls Supraleiter vorge- sehen werden sollen, die noch sogenannte Diffusionsbarrieren in Form von Schichten aus geeigneten Materialien wie z.B. Tantal enthalten. Mit diesen Diffusionsbarrieren,soll verhindert werden, daß bei der Reaktionsglühung 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 Reaktionsglühung durch Eindiffundieren einer Reaktionskomponente wie beispielsweise des Zinn beeinträchtigt werden, sowie durch alle nicht unbedingt erforderlichen Isolationsmaterialien vergrößert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine supraleitende Magnetwicklung anzugeben, die einen verhältnismäßig großen Packungsfaktor hat. Insbesondere soll die Magnetwicklung auch Supraleiter enthalten können, deren supraleitende Eigenschaften nach der wind-and-react-Technik erst in der Wicklung gebildet werden.
  • Diese Aufgabe wird für die Magnetwicklung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelost, daß das Isolationselement zumindest einen Teil des Stabilisierungsmaterials für einen benachbarten Supraleiter enthält.
  • Die Stabilisierung des Leiters, der beispielsweise ein monolithischer Leiter mit in einem Matrixmaterial eingebetteten supraleitenden Filamenten oder ein Leiterseil aus mehreren Einzelleitern, die jeweils ein oder mehrere supraleitende Adern enthalten., sein kann, ist somit teilweise 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. daB 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 des Isolationselementes angeordnet. Der an die Dimensionen der benachbarten Supraleiter angepaßte Querschnitt des Isolationselementes ist nämlich im allgemeinen für eine betriebssichere Isolation zwischen Leitern benachbarter Windungen nicht vollständig erforderlich. Somit kann der Anteil des "passiven" Leiterquerschnitts an Isoliermaterial entsprechend verringert sein.
  • 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.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Magnetwicklung nach der Erfindung können vorteilhaft die supraleitenden Eigenschaften ihrer Supraleiter durch eine in-situ-Glühung entsprechender Leitervorprodukte in der Magnetwicklung gebildet sein. Für solche 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 Isolationsteile für solche in-situ zu glühenden Magnetwicklungen 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.
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Magnetwicklung wird vorteilhaft eine auf ihren Isolationsteilen aufgebrachte Schlichte unmittelbar vor der in-situ-Glühung vollständig aus der Wicklung entfernt. Es kann so bei der Glühung die Entstehung graphithaltiger RückstäDde, die zu einer Isolationsverschlechterung führen, vermieden werden.
  • Weitere Ausbildungen der Magnetwicklung nach der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Anhand der schematischen Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung noch weiter erläutert. Dabei ist in Figur 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. 1 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 enthält zwei Lagen aus jeweils sechs nebeneinanderliegenden Leitersträngen, die jeweils etwa gleiche, beispielsweise kreisförmige Querschnittsflächen haben. Acht der mit 4 bezeichneten Leiterstränge sind supraleitende Einzelleiter, deren 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 Adern, die miteinander verdrillt sein können. Die vier übrigen, mit 5 be:-. zeichneten Leiterstränge des Supraleiters 2 enthalten jeweils einen sich entlang des Stranges erstreckenden inneren Bereich 6 aus einem Stabilisierungsmetall, beispielsweise 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 Stabilisierungsleitern 5 derart zu einem Flachleiter verseilt, 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 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 Figur nur angedeuteten Supraleitern 2 und 10 von benachbarten Wicklungslagen jeweils durch eine Lagenisolation 11 bzw. 12 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 ein Isolationselement 14, beispielsweise einen Glasfaden, getrennt. Entsprechende Isolationselemente sind deshalb jeweils zwischen den einander zugewandten Längsseiten benachbarter Supraleiter angeordnet. Ihr Durchmesser ist dabei zweckmäßig gleich dem gegenseitigen Abstand der Lagenisolationen 11 und 12.
  • Eine aus solchen Supraleitern 2 und Glasfäden 14 aufgebaute Magnetwicklung hat jedoch einen verhältnismäßig begrenzten Packungsfaktor. Sowohl der Querschnitt des Isolationselementes 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 geführt wird, sondern zumindest teilweise in das Isolationselement verlegt ist, das zur Isolation zwischen Supraleitern in benachbarten Windungen einer gemeinsamen Wicklungslage dient. Eine entsprechende Ausführungsform eines solchen Leiters und Isolationselementes ist in Fig. 2 als Querschnitt veranschaulicht. Der mit 16 bezeichnete Flachseil-Leiter soll die gleichen Leiterdimensionen wie der Leiter 2 gemäß Fig. 1 haben. Er enthält nunmehr zwölf in zwei Lagen angeordnete supraleitende Einzelleiter 4; d.h.
    die Stabilisierungsstränge 5 des Leiters 2 gemäß Fig. 1 sind durch entsprechende supraleitende Einzelleiterstränge 4 ersetzt. Das mit 17 bezeichnete Isolationselement 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 Isolierelementen 17 von entsprechenden Bauteilen in benachbarten Wicklungslagen dienen die Lagenisolationen 11 und 12 nach Fig. 1.
  • 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. Um diese im allgemeinen sehr spröden Materialien überhaupt handhaben zu können, sind auf ihnen schon bei der Herstellung sogenannte Schlichten aufgetragen, welche die Kerbempfindlichkeit herabsetzen und den Zusammenhalt dieser Isolationsteile verbessern sollen. Die Schlichten bestehen im allgemeinen aus besonderen Fetten und Stärke. Werden sie vor der Reaktionsglühung des Leitermaterials nicht beseitigt, so zersetzen sie sich bei der Glühung zu Graphit und verschlechtern somit die Isolationseigenschaften der Isolationsteile 11, 12, 19. Die aufgebrachten Schlichten werden deshalb vorteilhaft unmittelbar vor der Reaktionsglühung der Leiter in der mit entsprechenden Leitervorprodukten aufgebauten Magnetwicklung aus der Wicklung entfernt. Hierzu kann beispielsweise ein enzymatisches Verfahren vorgesehen sein, bei dem die in der Schlichte enthaltene Stärke mit Hilfe von Enzymen abgebaut und die Abbauprodukte z. B. mit Wasser ausgewaschen werden. Nach dieser prinzipiell bekannten Verfahrenstechnik wird beispielsweise nach dem Wickeln der Spule und Abdichten des Spulenmantels die Wicklung zunächst bei erhöhter Temperatur, beispielsweise 80°C, mit einem geeigneten fettlösenden Mittel, z.B. einem chlorierten Kohlenwasserstoff wie Tri- oder Perchloräthylen oder Detergentien enthaltenden wäßrigen Lösungen einige Stunden lang ausgewaschen. Danach werden Lösungsmittelreste durch Ausheizen oder Evakuieren der Wicklung entfernt und die Wicklung auf die Entschlichtungstemperatur aufgeheizt. Bei Verwendung von Hochtemperatur-Entschlichtungsmitteln sind Temperaturen zwischen 95 und 120°C geeignet (Entschlichtungsmittel "Enzylase HT", Firma Diamalt AG; D-8000 München). Nach dem Erreichen dieser Temperatur wird die ebenfalls aufgeheizte Entschlichtungslösung (beispielsweise 1 bis 5 g Enzylase ET pro Liter Wasser) unter Druck durch die Wicklung gepreßt, wobei zweckmäßigerweise der Dampfdruck der siedenden Lösung (z.B. etwa 1,4 bar bei 110°C) ausgenutzt wird. Nach dem Entschlichtungsvorgang während einer Zeit von unter 1 Stunde wird die Entschlichtungslösung abgelassen und die Wicklung daran anschließend mit einem leichtflüchtigen, mit Wasser gut mischbaren Lösungsmittel wie z.B. Aceton oder Alkoholen gründlich ausgewaschen. Nach dem Trocknen und Entfernen der die Wicklung ab- 'dichtenden Bandage kann die Spule in bekannter Weise reaktionsgeglüht werden. Da durch die geschilderte Verfahrensweise sowohl Fette als auch Stärke restlos entfernt werden, kann sich hierbei kein Graphit bilden, und die Isolationsfähigkeit der Isolationsteile bleibt erhalten.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren wurde angenommen, daß die Magnetspulenwicklung gemäß der Erfindung zunächst aus noch unreagierten Leitervorprodukten eines Supraleiters gewickelt und dann die gesamte Magnetspulenwicklung in-situ geglüht wird, um so die erwünschten supraleitenden Materialien durch einem Diffusionsvorgang zu erhalten. Eine Magnetspulenwicklung gemäß der Erfindung kann jedoch ebensogut auch aus bereits durchreagierten Leitern 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.
  • -Die supraleitenden Leiterteile des Supraleiters für die Magnetwicklung gemäß der Erfindung brauchen außerdem nicht supraleitende Adern von Einzelleitern zu sein. Vielmehr können sie auch supraleitende, in ein Matrixmaterial eingebettete Filamente eines monolithischen Supraleiters sein.
  • Gemäß der Figuren wurde ferner angenommen, daß die Isolation zwischen Supraleitern in benachbarten Windungen einer Wicklungslage durch strangförmige Isolationselemente 17 entsprechender Dicke erfolgt. Sowohl aus Einzelleitern verseilte Leiter als auch monolithische Leiter können jedoch zur gegenseitigen Isolation auch von Isolationsteilen umgeben, beispielsweise umwickelt sein, wobei in diese Isolationsteile die Stabilisierung zumindest teilweise integriert ist.

Claims (8)

1. Magnetwicklung mit Windungen aus stabilisierten Supraleitern, die jeweils mehrere unisolierte supraleitende Leiterteile und normalleitendes Material zur Stabilisierung enthalten, in der zwischen den Supraleitern benachbarter Windungen jeweils mindestens ein Isolationselement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Isolationselement (17) zumindest einen Teil des Stabilisierungsmaterials (18) für einen benachbarten Supraleiter (16) enthält.
2. Magnetwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daB das Isolationselement (17) einen zentralen Kern (18) aus dem Stabilisierungsmaterial enthält, der von einer Isolierschicht (19) umgeben ist.
3. Magnetwicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Isolationselement (17) einen zentralen Aluminium-Kern (18) und eine dünne Isolierschicht (19) aus Aluminiumoxid enthält.
4. Magnetwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Isolationselement (17) mit dem Supraleiter (16) verbunden ist.
5. Magnetwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke des Isolationselementes (17) an die entsprechende Dicke des benachbarten Supraleiters (16) angepaßt ist.
6. Magnetwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die supraleitenden Eigenschaften der Supraleiter (16) durch eine in-situ-GlUhung entsprechender Leitervorprodukte in der Magnetwicklung gebildet sind.
7. Magnetwicklung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Isolationsteile (11, 12, 19) aus Glas, Quarz oder Keramik.
8. Verfahren zur Herstellung einer Magnetwicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine auf den Isolationsteilen (11, 12, 19) aufgebrachte Schlichte unmittelbar vor der in-situ-Glühung vollständig aus der Wicklung entfernt wird.
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