DE1564762B1 - Superconducting magnet coil - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Supraleitungsmagnet- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gespule mit einer Wicklung aus in mehreren Wicklungs- löst, daß die innerhalb einer Wicklungslage nebenlagen angeordneten Leitern und mit den Zutritt von einanderliegenden blanken Leiterwindungen durch Kühlmittel gestattenden Abstandsmitteln zwischen ein hochkant stehendes Band voneinander getrennt den Wicklungslagen. 5 sind, dessen Breite höchstens gleich der Stärke derThe invention relates to a superconducting magnet coil with one winding from in several winding triggers that the adjacent layers within a winding layer arranged conductors and with the access of bare conductor turns lying on top of one another Coolant permitting spacing means separated from one another between an upright band the winding layers. 5, the width of which is at most equal to the thickness of the
Bei großen Supraleitungsmagnetspulen mit Wick- Leiter ist.In the case of large superconducting magnet coils with a winding conductor.
lungen aus supraleitenden Litzen oder Bändern, ins- Eine Supraleitungsmagnetspule mit mehreren besondere bei Magnetspulen mit aus Supraleiter- Wicklungslagen, bei der die innerhalb einer Wickmaterial und elektrisch normal leitenden Metallen lungslage nebeneinanderliegenden blanken Suprazusammengesetzten, völlig oder teilweise elektrisch io leiterwindungen voneinander getrennt sind, ist stabilisierten Leitern, ist zur Erreichung einer opti- durch die USA.-Patentschrift 3 187 235 bekannt. Zur malen Funktionsfähigkeit und insbesondere zur Ver- Trennung der Windungen dient jedoch bei dieser meidung der sogenannten Stromdegradation anzu- Supraleitungsmagnetspule kein hochkant stehendes streben, daß die Leiter der Spulenwicklung gut ge- Band, sondern ein Draht, der aus Isoliermaterial, kühlt werden. Es sollte daher ein möglichst großer 15 aus beim Betrieb der Spule elektrisch normal leiten-Teil der Leiteroberfläche in direktem Wärme- dem Metall oder aus einem solchen Metall mit einem austausch, also in direktem Kontakt, mit dem Kühl- Überzug aus Isoliermaterial bestehen kann. Ferner mittel, beispielsweise dem üblicherweise zur Spulen- sind zwischen den Wicklungslagen dieser bekannten kühlung verwendeten flüssigen Helium, stehen. Mit den Supraleitungsmagnetspule keine den Zutritt von üblichen, vollständig mit Isolierstoffen überzogenen 20 Kühlmittel gestattenden Abstandsmittel vorgesehen, Leitern ist dies nicht möglich. Andererseits sollen aber sondern Folien aus beim Betrieb der Spule elektrisch die nebeneinanderliegenden Windungen innerhalb der normal leitendem oder halbleitendem Material. Das einzelnen Wicklungslagen der Spule je nach der ge- Trennen der Windungen dient dabei zur Lösung wünschten Betriebsart gegeneinander vollständig oder einer anderen Aufgabe als bei der vorliegenden Erdoch wenigstens teilv/eise elektrisch isoliert sein. 25 findung. Durch das Trennen der blanken Supraleiter-lungs made of superconducting strands or tapes, ins- A superconducting magnet coil with several especially in the case of magnetic coils with superconductor winding layers, in which the within a winding material and normally electrically conductive metals. completely or partially electrically io conductor windings are separated from each other, is stabilized ladders, is known to achieve an optimal by the USA. Patent 3,187,235. To the However, this is used for painting functionality and, in particular, for separating the windings Avoidance of the so-called current degradation to superconducting magnet coil no standing on edge strive to ensure that the conductors of the coil winding are properly be cooled. It should therefore be as large as possible a part that is normally electrically conductive when the coil is in operation the conductor surface in direct heat- the metal or from such a metal with a exchange, i.e. in direct contact, with the cooling coating made of insulating material. Further medium, for example the one usually used for coil are known between the winding layers of this liquid helium used for cooling. With the superconducting magnet coil no access of conventional spacing means that are completely covered with insulating materials and allow coolants are provided, This is not possible for ladders. On the other hand, however, foils should be made electrically when the coil is in operation the adjacent turns within the normally conductive or semiconductive material. That individual winding layers of the coil depending on the separation of the turns serves as a solution desired operating mode against each other completely or a different task than with the present Erdoch be at least partially electrically isolated. 25 discovery. By separating the bare superconductor
Bei bekannten Supraleitungsmagnetspulen mit windungen innerhalb der Wicklungslagen soll näm-Wicklungen
aus litzenförmigen Leitern sind Ab- lieh bei der bekannten Spule in Verbindung mit den
Standsmittel zwischen den Wicklungslagen vor- erwähnten Folien erreicht werden, daß beim Übergesehen,
um dem Kühlmittel einen Zutritt in das gang der Wicklung vom supraleitenden in den elek-Innere
des Wickelpaketes zu gestatten. Als solche 30 trisch normal leitenden Zustand keine Spannungs-Abstandsmittel
können Metallnetze oder in Richtung durchschlage innerhalb der Wicklung auftreten, die
der Spulenachse angeordnete Stege aus Isolations- zur Zerstörung einer üblichen dielektrischen Isomaterial
verwendet werden. Ein direkter Kontakt Iation führen könnten. Im übrigen bringt die Verzwischen
den Leitern der Spulenwicklung und dem Wendung eines Bandes an Stelle eines Drahtes zum
zwischen den Wicklungslagen befindlichen Kühl- 35 Trennen der Windungen einen beträchtlichen Vormittel
bei gleichzeitiger Isolation der Windungen teil hinsichtlich einer Erhöhung der erzielbaren
gegeneinander wird bei diesen bekannten Spulen Packungsdichte der Supraleiter mit sich,
dadurch bewirkt, daß die litzenförmigen Leiter mit Als Supraleiter für die erfindungsgemäße Spule
Drähten oder Bändern aus Isolierstoffen oder elek- können vorzugsweise vollständig oder teilweise
trisch schlecht leitenden Metallen derart auf Lücke 40 stabilisierte Leiter verwendet werden, beispielsweise
umwickelt werden, daß zwischen den Drähten bzw. aus mehreren supraleitenden, mit elektrisch normal
den Bändern eine freie, blanke Leiteroberfläche ver- leitendem Metall überzogenen Drähten und gebleibt.
Eine derartige Isolation führt jedoch meist zu gebenenfalls zusätzlichen elektrisch normal leitenden
einer verhältnismäßig großflächigen Bedeckung des Drähten bestehende litzenförmige Leiter oder mit
Leiters und erfordert neben der unmittelbaren 45 Überzügen aus elektrisch normal leitendem Metall
Leiterherstellung einen zusätzlichen Arbeitsgang. versehene supraleitende Bänder. Als Supraleiter-Ferner
sind die Auflageflächen zwischen den neben- materialien sind insbesondere Hochfeldsupraleiter geeinanderliegenden
Windungen der einzelnen Wick- eignet, beispielsweise Supraleiter aus Niob-Zirkonlungslagen
verhältnismäßig klein. Dies kann bei Legierungen, Niob-Titan-Legierungen und Leiter mit
großen magnetischen Axialkräften zu sehr hohen 50 Schichten aus supraleitenden intermetallischen Ver-Flächendrücken
und dadurch besonders bei aus bindungen wie Niob-Zinn (Nb3Sn).
Supraleitermaterial und gut elektrisch normal Durch das erfindungsgemäß zwischen benachbarleitenden
Metallen zusammengesetzten stabilisierten ten Leitern befindliche hochkant stehende Band wird
Leitern zu Verformungen und damit zur Ver- eine vollständige Trennung der Leiter voneinander
schlechterung der elektrischen Eigenschaften führen. 55 gewährleistet. Andererseits wird der Kühlmittel-Ferner
besteht die Gefahr von Wicklungsschlüssen zutritt zur Oberfläche der Leiter durch das Band
durch Verbiegen der Leiter unter Krafteinwirkung praktisch nicht behindert, so daß die Leiter nahezu
oder bei unregelmäßig ausgebildeten Leiterober- vollständig vom Kühlmittel umspült werden können,
flächen. Schließlich läßt sich eine derartige Isolation Das Band darf nicht breiter sein als die Stärke der
bei etwa notwendigen Reparaturen am Leiter nur 60 Leiter, damit es über die Wicklungslagen nicht hinschlecht
wieder aufbringen. ausragt. Dagegen kann die Breite des Bandes ge-Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ringer sein als die Dicke der Leiter der Spulen-Supraleitungsmagnetspule
derart auszubilden, daß wicklung. Allerdings muß das Band noch so breit einerseits die Leiter der Spulenwicklung in direktem sein, daß eine Trennung der nebeneinanderliegenden
Kontakt mit dem Kühlmittel stehen und andererseits 65 Leiter gewährleistet ist.In known superconducting magnet coils with turns within the winding layers, windings made of stranded conductors are to be achieved in the known coil in connection with the foils mentioned above in connection with the standing means between the winding layers, that when overlooked, the coolant is allowed to enter the aisle to allow the winding from the superconducting to the electrical interior of the winding package. As such a normally conductive state, no voltage spacing means, metal nets or breakdowns in the direction can occur within the winding, the webs made of insulation material arranged on the coil axis are used to destroy a conventional dielectric isomaterial. A direct contact Iation could result. In addition, the interposition of the conductors of the coil winding and the twisting of a tape instead of a wire for separating the windings between the winding layers provides a considerable amount of preliminary means with simultaneous insulation of the windings in order to increase the achievable packing density against each other in these known coils the superconductor with it,
As a superconductor for the coil according to the invention, wires or strips made of insulating materials or metals, preferably completely or partially trically poorly conductive metals, can be used, for example wrapped around, that between the wires or of several superconducting wires covered with metal that conducts a free, bare conductor surface electrically normal to the tapes, and remains. However, such an insulation usually leads to additional normally electrically conductive stranded conductors or conductors with a relatively large area of covering of the wires and requires an additional operation in addition to the direct production of normally conductive metal conductors. provided superconducting tapes. Furthermore, the contact surfaces between the secondary materials are suitable as superconductors, especially high-field superconductors, superconductors lying one above the other in the individual windings, for example superconductors made of niobium-zirconium layers are relatively small. In the case of alloys, niobium-titanium alloys and conductors with large magnetic axial forces, this can lead to very high layers of superconducting intermetallic surface pressures and therefore particularly in the case of bonds such as niobium-tin (Nb 3 Sn).
Superconductor material and good electrical normal Due to the stabilized th conductor located on edge according to the invention between adjacent conductive metals, conductors will lead to deformations and thus to a complete separation of the conductors from one another, deterioration of the electrical properties. 55 guaranteed. On the other hand, the coolant is practically unhindered by bending the conductors under the action of force, so that the conductors can be completely or almost completely surrounded by the coolant if the conductor surface is irregular. Ultimately, such an insulation can be used. The tape must not be wider than the thickness of the only 60 conductors that may be necessary in the event of any repairs to the conductor, so that it is not poorly reapplied over the winding layers. protrudes. On the other hand, the width of the tape can be designed in such a way that winding is the object of the invention to be less than the thickness of the conductor of the coil superconducting magnet coil. However, the tape must still be so wide, on the one hand, that the conductors of the coil winding are in direct contact with one another so that the adjacent contact with the coolant is separated and, on the other hand, 65 conductors are guaranteed.
die Isolation zwischen den nebeneinanderliegenden Zu einer vollständigen elektrischen Isolation derthe isolation between the adjacent To a complete electrical isolation of the
Leitern der einzelnen Wicklungslagen die genannten Windungen gegeneinander wird vorzugsweise einConductors of the individual winding layers the turns mentioned against each other is preferably one
Nachteile nicht aufweist. Band aus Isoliermaterial, beispielsweise aus einerDoes not have any disadvantages. Tape made of insulating material, for example from a
Hostaphan- oder Mylar-Folie, zwischen die einzelnen Windungen eingelegt. Die Dicke des Bandes kann dabei vorteilhaft etwa 50 bis 100 μ betragen.Hostaphan or Mylar film, inserted between the individual turns. The thickness of the tape can advantageously be about 50 to 100 μ .
Es kann jedoch auch ein Band aus einem beim Betrieb der Spule elektrisch normal leitenden Metall verwendet werden, das ein- oder ganzseitig isoliert ist, beispielsweise ein mit einer Kunststoffschicht beschichtetes Stahl- oder Kupferband oder ein oberflächlich mit einer Oxydschicht versehenes Aluminiumband. Ein derartiges Band kann neben der Isolation der einzelnen Spulenwindungen gegeneinander noch weitere Aufgaben erfüllen. Ein ganzseitig isoliertes Band kann beispielsweise als Hilfswicklung dienen, deren Spannung beim Auferregen der Magnetspule zur Kompensation der induktiven Erregerspannung der supraleitenden Wicklung ausgenutzt werden kann. Dies ist besonders bei vollständig oder teilweise stabilisierten Magnetspulen von Bedeutung, bei denen mit einer solchen Hilfswicklung eine bei Überlastung auftretende ohmsche Spannungskomponente gegen den induktiven Untergrund sichtbar gemacht und zur Regelung des Erregerstromes ausgenutzt werden kann.However, a strip made of a metal which is normally electrically conductive during operation of the coil can also be used be used that is insulated on one or all sides, for example one coated with a plastic layer Steel or copper tape or an aluminum tape with an oxide layer on the surface. In addition to isolating the individual coil turns from one another, such a tape can also be used fulfill other tasks. A tape that is insulated on the entire side can be used, for example, as an auxiliary winding serve whose voltage when energizing the solenoid to compensate for the inductive Excitation voltage of the superconducting winding can be used. This is especially true for complete or partially stabilized solenoid coils of importance in those with such an auxiliary winding an ohmic voltage component against the inductive background that occurs in the event of an overload made visible and can be used to regulate the excitation current.
Falls keine vollständige elektrische Isolation der Windungen gegeneinander erforderlich, sondern vielmehr eine kontinuierliche Windungsshuntung erwünscht ist, kann auch ein Band aus einem elektrisch schlecht leitenden Material, beispielsweise aus einer Chrom-Nickel-Folie, aus einer Stahlfolie oder aus mit Leitlacken getränkten Textilien verwendet werden. Geeignet ist etwa ein Band aus Japanseide, die mit Graphitlack getränkt ist, dessen Leitfähigkeit durch Beigabe von Silberstaub eingestellt ist. Ein solches Band wirkt isolierend, solange die Spule supraleitend ist, und ermöglicht im Falle eines lokalen Überganges einer Windung der Spulenwicklung in den elektrisch normal leitenden Zustand einen Stromübergang auf eine benachbarte Windung.If complete electrical insulation of the windings from one another is not required, rather a continuous winding shunt is desired, a tape from an electrical Poorly conductive material, for example from a chrome-nickel foil, from a steel foil or from Textiles soaked with conductive varnishes can be used. A tape made of Japanese silk, for example, is suitable is impregnated with graphite varnish, the conductivity of which is adjusted by adding silver dust. A such tape has an insulating effect as long as the coil is superconducting, and allows in the case of one local transition of a turn of the coil winding into the electrically normal conductive state a current transfer to an adjacent turn.
Falls die Breite des Bandes im Verhältnis zum Durchmesser der Wicklung so groß ist, daß beim Einlegen des Bandes innerhalb desselben unzulässige mechanische Beanspruchungen auftreten würden, kann das Band vorteilhaft gefiedert oder leicht gewellt ausgebildet werden.If the width of the tape in relation to the diameter of the winding is so large that the If the tape were to be inserted within it, inadmissible mechanical stresses would occur, the band can be advantageously feathered or slightly wavy.
An Hand einiger Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with the aid of a few figures.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Wicklung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spule;Fig. 1 shows a section of the winding an exemplary embodiment of the coil according to the invention;
F i g. 2 und 3 zeigen ein- bzw. beidseitig isolierte Bänder aus elektrisch normal leitendem Metall für die erfindungsgemäße Spule;F i g. 2 and 3 show strips made of electrically normal conductive metal for isolated on one or both sides the coil of the invention;
F i g. 4 zeigt ein gefiedert ausgebildetes Band für die erfindungsgemäße Spule.F i g. 4 shows a feathered band for the reel according to the invention.
In F i g. 1 ist ein Ausschnitt aus zwei Wicklungslagen einer erfindungsgemäß aufgebauten Spule dargestellt. Die Wicklung, die von einem rohrförmigen Spulenkörper 1 getragen wird, besteht aus einem litzenförmigen Leiter 2, der aus mehreren mit elektrisch normal leitenden, beispielsweise aus Kupfer bestehenden Überzügen 3 versehenen Supraleitern 4 aufgebaut ist. Zwischen den einzelnen Wicklungslagen sowie zwischen der letzten Wicklungslage und dem Spulenkörper sind Stege 5 aus Hartgewebe vorgesehen. Die freien Räume zwischen den aufeinanderfolgenden Stegen dienen als Kühlkanäle, in die das Kühlmittel, beispielsweise in Richtung der Pfeile 6, eindringen kann. Die nebeneinanderliegenden Leiter der einzelnen Wicklungslagen sind durch ein hochkant stehendes Band 7 aus einer Isolationsfolie voneinander getrennt. Aus F i g. 1 ist deutlich zu ersehen, daß die blanken Oberflächen der Leiter weitestgehend vom Kühlmittel umspült werden können.In Fig. 1 shows a section of two winding layers of a coil constructed according to the invention. The winding, which is carried by a tubular bobbin 1, consists of a stranded conductor 2 which is made up of several superconductors 4 provided with normally electrically conductive coatings 3, for example made of copper. Web 5 made of hard fabric are provided between the individual winding layers and between the last winding layer and the coil body. The free spaces between the successive webs serve as cooling channels into which the coolant can penetrate , for example in the direction of the arrows 6. The adjacent conductors of the individual winding layers are separated from one another by an upright band 7 made of an insulating film. From Fig. 1 it can be clearly seen that the bare surfaces of the conductors can be largely washed around by the coolant.
An Stelle eines Bandes aus Isolationsmaterial kann auch ein ein- oder allseitig isoliertes Metallband verwendet werden. F i g. 2 zeigt ein Kupferband 11, das einseitig mit einer Kunststoffschicht 12 beschichtet ist. In F i g. 3 ist ein Aluminiumband 21 dargestellt, das an seiner Oberfläche mit einer isolierenden Oxydschicht 22 versehen ist.Instead of a band of insulation material, a metal band insulated on one or all sides can also be used be used. F i g. 2 shows a copper tape 11 which is covered on one side with a plastic layer 12 is coated. In Fig. 3, an aluminum strip 21 is shown, which on its surface with a insulating oxide layer 22 is provided.
Ein gefiedertes Band ist in F i g. 4 dargestellt. Die Einschnitte 31 sind so geformt, daß beim Einlegen des Bandes in die Spule die zungenförmigen Teile 32 unmittelbar nebeneinander zu liegen kommen.A feathered band is shown in FIG. 4 shown. The incisions 31 are shaped so that when inserting of the tape in the reel, the tongue-shaped parts 32 come to lie directly next to one another.
Die erfindungsgemäße Supraleitungsmagnetspule weist gegenüber bekannten Supraleitungsspulen zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere ist die Windungsisolation auf einfache Weise beim Wickeln der Spule herzustellen, indem das hochkant stehende Band gleichzeitig mit dem Supraleiter eingewickelt wird. Für die Isolierung des Leiters ist somit kein eigener Arbeitsgang notwendig. Das Band kann bei einer etwa nötigen Reparatur der Spule leicht entfernt und anschließend wieder verwendet werden. Windungsschlüsse durch Unebenheiten der Leiter oder beim Durchbiegen von Leitern sind nicht möglich, da die nebeneinanderliegenden Leiter vollständig durch das Band getrennt werden. Gleichzeitig wird eine Vergrößerung der Auflagefläche zwischen den nebeneinanderliegenden Leitern erreicht, so daß die durch magnetische Kräfte hervorgerufenen Flächendrücke auf die Leiter stark herabgesetzt sind. Ferner werden bei der erfindungsgemäßen Spule durch die Bänder lediglich die einzelnen Wicklungslagen etwas verbreitert. Dagegen tritt eine Vergrößerung der Höhe der einzelnen Wicklungslagen, die bei den bekannten Isolationsmitteln unumgänglich ist, nicht auf. Dadurch werden eine kompakte Spulenbauweise und ein sehr guter Packungsfaktor erzielt.The superconducting magnet coil according to the invention has numerous compared to known superconducting coils Benefits on. In particular, the winding insulation is easy when winding the coil by wrapping the upright tape at the same time as the superconductor. No separate work step is therefore necessary for the insulation of the conductor. The tape can be used in a Any necessary repairs to the coil can be easily removed and then used again. Winding shorts due to unevenness in the conductor or at It is not possible to bend conductors, as the conductors lying next to one another are completely covered by the Tape to be separated. At the same time, there is an increase in the contact surface between the adjacent Ladders reached, so that the surface pressures caused by magnetic forces are greatly reduced to the ladder. Furthermore, in the coil according to the invention by the bands only the individual winding layers widened somewhat. On the other hand, there is an increase in height of the individual winding layers, which is indispensable with the known insulation means, does not appear. Through this a compact coil design and a very good packing factor are achieved.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |