EP0046908B1 - Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Wicklung - Google Patents
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Classifications
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- 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 method for producing a superconducting winding, in which several thousand fibers provided with a superconducting layer and with a highly conductive metal layer are combined to form a bundle and this bundle is surrounded by an insulation layer.
- superconductors are known as filament conductors in wire form and as fiber conductors.
- the superconducting wires consist of superconducting filaments made of bsw. NbTi or Nb 3 Sn, which are in a matrix of highly conductive material, e.g. Copper or aluminum are embedded.
- the wires are made by metallurgical processes. A good intermetallic connection between the superconducting filaments and the matrix material is crucial for the functionality of the superconducting wire.
- the coils can be wound from individual superconducting wires up to a current intensity given by the current carrying capacity of the superconductor. For higher currents, several wires are combined into ropes and surrounded with a common insulation layer. These ropes are wound into coils and, to ensure the functional reliability of such coils, the ropes have to be carefully layered next to one another and cavities have to be avoided.
- the superconducting wires or ropes and the insulation are fixed in their position by impregnation with resin (DE-A-27 09 300).
- the metallurgical manufacturing processes for superconducting wires are very complex, in particular for Nb 3 Sn superconductors.
- diffusion annealing at bsw must be used to form the superconducting material. 700 ° for about 60 hours. If this annealing is carried out before the winding process, there is a risk of damage to the very brittle Nb 3 Sn material during winding, which can only be checked on the finished coil. If the annealing is carried out after the winding process, the entire coil including the insulation must be annealed, which places special demands on the insulation and the structural and contacting materials used with regard to temperature resistance.
- windings have the advantage over the windings, which consist of superconductors arranged in a rigid matrix or superconducting wires combined into ropes, that no cavities arise during winding, since the bundle can adapt to any cross-sectional shape. Furthermore, a fiber bundle made up of loosely adjacent fibers for winding coils has the advantage that the risk of breaking individual fibers of the bundle is significantly reduced.
- Niobcarbonnitrid - layers can be continuously manufactured bsw.
- metallic niobium can be deposited on the carbon fibers (carbon filaments) from vaporous niobium chloride in a hydrogen atmosphere at about 600 ° C. This metallic niobium is then converted into the superconducting niobium carbon nitride compound in an ammonia and methane atmosphere at about 1,000 ° C. (DE-B-28 56 885).
- the disadvantages of winding with filament conductors or rigidly combined conductors are to be avoided in the method.
- the mechanical stability of the individual fibers should also be ensured.
- this object is achieved in that the bundle is impregnated in plastic, wound into a coil in a mold and the plastic is cured in this mold.
- the insulation layer surrounding each bundle can e.g. a banding with film or a braiding or braiding of glass fibers.
- the winding is pressed in the mold.
- suitable Coordination of plastic content and pressing force can, for. B. for DC coils, good fiber-to-fiber contact of a bundle is achieved and thus the transverse resistance is reduced, while for pulsed magnetic coils a higher transverse resistance between the individual fibers is achieved by a higher plastic content and / or a lower pressing force, so that current displacement effects are considerably reduced will.
- the fiber material is matched to the carrier body already present in such a way that the thermal shrinkage behavior of the superconducting winding is adapted to the thermal shrinkage behavior of the carrier body.
- Cooling tubes can be integrated anywhere in the fiber conductor winding. The mechanical strength is not affected by these cooling tubes.
- Fig. 1 shows an embodiment of the coil produced by the method according to the invention
- Fig. 2 the winding form is shown, which is used only for the manufacture of the winding and is expediently divisible.
- the winding form consists of the core 5 and the two side parts or end disks 6 and 7.
- the outer diameter of the core 5 corresponds to the inner diameter Di of the coil.
- the diameter of the end plates 6 and 7 must be larger than the outer diameter Da of the coil.
- a bundle 8 provided with insulation which consists of several fibers and is impregnated with plastic, is wound onto the core 5 of the coil form, on which several turns 9 have already been applied.
- the coil part 1 can be wound up or pushed on after the first layer of bundles has been applied.
- the bundle 8 can then be wound further into the coil shape until the required number of turns is reached.
- a cooling medium can be supplied or removed.
- L is the length of the coil.
- the coil part 1 consists of the fiber conductors and the plastic with which the bundle has been soaked and which is hardened after winding the coil, so that the core 5 and the end disks 6 and 7 of the winding form can be removed.
- the winding is pressed into the desired shape using a suitable pressing tool, and the coil can be adapted to the desired operating conditions by a suitable choice of pressing force and plastic content.
- a strong compression device and / or a smaller proportion of plastic is expedient in order to achieve good contact between the fiber conductors of a strand, so that a low transverse resistance arises.
- less compression of the coil with a larger proportion of plastic is more expedient, since this has a favorable effect on the current displacement effect when the current increases sharply.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Wicklung, bei dem mehrere tausend mit einer supraleitenden Schicht und mit einer hochleitfähigen Metallschicht versehene Fasern zu einem Bündel zusammengefaßt sind und dieses Bündel mit einer Isolationsschicht umgeben ist.
- Bisher sind Supraleiter als Filamentleiter in Drahtform und als Faserleiter bekannt. Im folgenden wird der Begriff « Filamente für die fest in eine metallische Matrix eingebetteten supraleitenden Fäden aus bsw. NbTi oder Nb3Sn benutzt, und der Begriff « Fasern gilt für unverflochten und ungebunden vorliegende Fäden aus jeglichem Material, z. B. C-Fasern, Borfasern, Stahlfasern.
- Es ist bekannt, aus supraleitenden Drähten Spulen herzustellen. Dabei bestehen die supraleitenden Drähte aus supraleitenden Filamenten aus bsw. NbTi oder Nb3Sn, die in eine Matrix aus hochleitfähigen Material, bsw. Kupfer oder Aluminium eingebettet sind. Die Drähte werden durch metallurgische Verfahren hergestellt. Dabei ist eine gute intermetallische Verbindung zwischen den supraleitenden Filamenten und dem Matrixmaterial für die Funktionstüchtigkeit des supraleitenden Drahtes entscheidend.
- Bis zu einer durch die Strombelastbarkeit des Supraleiters gegebenen Stromstärke können die Spulen aus einzelnen supraleitenden Drähten gewickelt werden. Für höhere Stromstärken werden mehrere Drähte zu Seilen zusammengefaßt und mit einer gemeinsamen Isolierschicht umgeben. Diese Seile werden zu Spulen gewickelt und zwar müssen, um die Funktionssicherheit solcher Spulen sicherzustellen, die Seile sorgfältig nebeneinander geschichtet und Hohlräume vermieden werden. Die supraleitenden Drähte oder Seile sowie die Isolierung werden durch eine Imprägnierung mit Harz in ihrer Lage fixiert (DE-A-27 09 300).
- Die metallurgischen Herstellungsverfahren für supraleitende Drähte sind insbesondere für Nb3Sn-Supraleiter sehr aufwendig. Bei letzteren muß zur Bildung des supraleitenden Materials eine Diffusionsglühung bei bsw. 700° für ca. 60 Stunden durchgeführt werden. Wird diese Glühung vor dem Wickelprozeß durchgeführt, so besteht beim Wickeln die Gefahr der Beschädigung des sehr spröden Nb3Sn-Materials, was sich erst an der fertigen Spule überprüfen läßt. Wird die Glühung nach dem Wickelprozeß durchgeführt, so muß die gesamte Spule einschließlich der Isolation geglüht werden, was an die Isolation und die verwendeten Struktur- und Kontaktiermaterialien beondere Anforderungen bezüglich der Temperaturbeständigkeit stellt.
- Durch die DE-A-20 40 298 sind Leiter zum Wickeln von Spulen bekanntgeworden, bei denen etwa tausend Fasern zu einem drahtförmigen Leiter zusammengefaßt sind (Faserleiter) und diese Leiter mit einer Isolierschicht überzogen sind. Dabei sollen die Leiter so angeordnet werden, daß in die feinen Kanäle zwischen den gebündelten Fasern superfluides Helium eindringen kann. Maßnahmen zu Vermeidung mechanischer Instabilitäten sind dabei nicht vorgesehen, so daß bei Auftreten großer Magnetfelder nachteilige Leiterbewegungen auftreten können.
- Derartige Wicklungen haben gegenüber den Wicklungen, die aus in einer starren Matrix angeordneten Supraleitern oder zu Seilen zusammengefaßten supraleitenden Drähten bestehen, den Vorteil, daß beim Wickeln keine Hohlräume entstehen, da sich das Bündel jeder Querschnittsform anzupassen vermag. Ferner hat ein Faserbündel aus lose nebeneinanderliegenden Fasern für das Wickeln von Spulen den Vorteil, daß die Gefahr des Brechens einzelner Fasern des Bündels deutlich vermindert wird.
- Zur Herstellung von Faserleitern ist es bereits bekannt, Kohlenstoffasern mit einer dünnen Schicht einer Niobverbindung der allgemeinen Formel NbCxNy und einer äußeren hochleitfähigen Metallschicht zu versehen. Derartige supraleitende Niobcarbonnitrid-Schichten können kontinuierlich hergestellt werden, bsw. kann aus dampfförmigem Niobchlorid in einer Wasserstoffatmosphäre bei etwa 600 °C metallisches Niob auf den Kohlensstoffasern (Kohlenstoffilamenten) abgeschieden werden. Dieses metallische Niob wird anschließend in einer Ammoniak-und Methanatmosphäre bei etwa 1 000 °C in die supraleitende Niobcarbonnitridverbindung umgewandelt (DE-B-28 56 885).
- Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Wicklung anzugeben, bei dem mehrere tausend mit einer supraleitenden Schicht und mit einer hochleitfähigen Metallschicht versehene Fasern lediglich locker zu einem Bündel zusammengefaßt sind und dieses Bündel mit einer Isolationsschicht umgeben ist. Bei dem Verfahren sollen die Nachteile beim Wickeln mit Filamentleitern oder starr zusammengefaßten Leitern vermieden werden. Es soll fern die mechanische Stabilität der einzelnen Fasern sichergestellt werden.
- Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Bündel in Kunststoff getränkt, in einer Form zu einer Spule gewickelt und der Kunststoff in dieser Form ausgehärtet wird.
- Nach dem Aushärten ist die Wicklung so stabil, daß die Form entfernt werden kann und ein Spulenkörper nicht erforderlich ist. Da der für den Spulenkörper beanspruchte Raum für Windungen zur Verfügung steht, wird neben einer Einsparung an Material der zur Verfügung stehende Raum besser ausgenutzt. Die jedes Bündel umgebende Isolationsschicht kann bsw. eine Umbandelung mit Folie oder eine Umspinnung oder Umflechtung von Glasfasern sein.
- Vor dem Aushärten des Kunststoffes wird die Wicklung in der Form gepreßt. Durch geeignete Abstimmung von Kunststoffanteil und Presskraft kann z. B. für Gleichstromspulen ein guter Kontakt von Faser zu Faser eines Bündels erreicht und damit der Querwiderstand gesenkt werden, während für gepulste Magnetspulen ein höherer Querwiderstand zwischen den einzelnen Fasern durch einen höheren Kunststoffanteil und/oder eine geringere Preßkraft erzielt wird, so daß Stromverdrängungseffekte erheblich verringert werden.
- Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Fasermaterial auf den bereits vorliegenden Trägerkörper derart abgestimmt wird, daß das thermische Schrumpfverhalten der supraleitenden Wicklung an das thermische Schrumpfverhalten des Trägerkörpers angepaßt wird.
- Wenn z. B. eine Generatorwelle aus Stahl besteht, so zieht sich diese beim Abkühlen von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur von 4,5 °K zusammen. Zur Anpassung der Wicklung an dieses Zusammenschrumpfen der Generatorwelle ist es zweckmäßig, als Fasergrundmaterial für eine derartige Wicklung Stahl oder einen anderen Werkstoff mit ähnlicher thermischer Dilatation zu verwenden.
- In die Faserleiterwicklung können an beliebiger Stelle Kühlrohre integriert werden. Die mechanische Festigkeit wird durch diese Kühlrohre nicht beeinflußt.
- Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spule, während in Fig. 2 die Wickelform dargestellt ist, die nur für die Herstellung der Wicklung verwendet wird und zweckmäßig teilbar ist. Die Wickelform besteht aus dem Kern 5 und den beiden Seitenteilen bzw. Endscheiben 6 und 7. Der Außendurchmessser des Kerns 5 entspricht dem Innendurchmesser Di der Spule. Der Durchmesser der Endscheiben 6 und 7 muß größer als der Außendurchmesser Da der Spule sein. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, wird ein mit Isolierung versehenes Bündel 8, das aus mehreren Fasern besteht und mit Kunststoff getränkt ist, auf den Kern 5 der Spulenform gewickelt, auf dem schon mehrere Windungen 9 aufgebracht wurden. Die in Fig. 1 dargestellten Kühlrohre 2 können nach Aufbringen der ersten Lage Bündel aufgewickelt oder aufgeschoben werden. Anschließend kann das Bündel 8 weiter in die Spulenform gewickelt werden, bis die erforderliche Windungszahl erreicht ist. An den Enden 3 und 4 des Kühlrohres 2 kann, wenn die Spule in Betrieb ist, ein Kühlmedium zu bzw. abgeführt werden. Mit L ist die Länge der Spule angegeben. Der Spulenteil 1 besteht aus den Faserleitern und dem Kunststoff, mit dem das Bündel getränkt wurde und der nach Wickeln der Spule ausgehärtet wird, so daß der Kern 5 und die Endscheiben 6 und 7 der Wickelform entfernt werden können.
- Vor dem Aushärten wird durch ein geeignetes Preßwerkzeug die Wicklung in die gewünschte Form gepreßt, durch geeignete Wahl von Preßkraft und Kunststoffanteil kann die Spule den gewünschten Betriebsbedingungen angepaßt werden. Bei der Verwendung von Gleichstromspulen ist ein starkes Zusammenpresser und/ oder ein geringerer Kunststoffanteil zweckmäßig, um zwischen den Faserleitern eines Stranges einen guten Kontakt zu erreichen, so daß ein geringer Querwiderstand entsteht. Bei gepulsten Magnetspulen ist dagegen ein geringeres Zusammenpressen der Spule bei einem größeren Kunststoffanteil zweckmäßiger, da hierdurch der Stromverdrängungeffekt bei starkem Anstieg des Stromes günstig beeinflußt wird.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Wicklung, bei dem mehrere tausend mit einer supraleitenden Schicht und mit einer hochleitfähigen Metallschicht versehene Fasern zu einem Bündel zusammengefaßt sind und dieses Bündel mit einer Isolationsschicht umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel in Kunststoff getränkt, in einer Form (5, 6, 7) zu einer Spule (1) gewickelt und der Kunststoff in dieser Form ausgehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht aus einer Umbandelung mit Folie oder aus Umspinnung oder Umflechtung mit Glasfasern hergestellt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (1) vor dem Aushärten in der Spulenform gepreßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 für eine Gleichstromspule, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffanteil und die Preßkraft derart aufeinander abgestimmt werden, daß innerhalb des Faserleiterstranges ein guter Kontakt von Faserleiter zu Faserleiter vorhanden ist (geringer Querwiderstand).
5. Verfahren nach Anspruch 3 für gepulste Magnetspulen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffanteil und die Preßkraft derart aufeinander abgestimmt werden, daß ein hoher Querwiderstand zwischen den Faserleitern eines Stranges vorhanden ist (Vermeidung eines Stromverdrängungseffektes).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kühlrohre (2) mit dem Faserleiterstrang (8) in die Spulenform (5, 6, 7) gewickelt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gegebenen Trägerkörper (z. B. Generatorwelle) ein Fasermaterial verwendet wird, dessen thermisches Schrumpfverhalten und damit das Schrumpfverhalten der supraleitenden Wicklung dem Schrumpfverhalten des Trägerkörpers angepaßt ist.
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