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Bandförmiger, aus Supraleitermaterial.und elektriech normalleitendem
Metall bete hender I*1ter--und Supreleitun:rsepule mit einer Wio2g aue diidsm
3@eiter Die Erfindung betrifft einen bandförmigen, sus'$upralsitermeterial und elektrisch
normalleitenden .Metall bestehend« Leiter ur4.: eine SuprALeitungsspul e mit
einer Wicklung- auee diese* Leiter.
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Für den. Hau von Supraletunfienpulen, nebesondere:von eupraleitenden
Großmagneten, haben eich eeogenannte stabiliaierte Leiter, die auri
eupraletenden und bei der Betrebetemperatur der Spulen gut elek@-trisch
leitenden, notmalleitenden Metallen zusammengesetzt sind, als
vorteilhaft
erwiesen. Um eine gute elektrische- Stabiltät der Spulen zu erreichen; sollen dabei*
Querschnitt und elektrische Tieftemperaturleitfähigkeit des normalleitenden Metalls
so bemessen werden, daß der zusammengesetzte Leiter bei guter Kühlung- in der Spule
keine wesentliche Stromdegradation aufweist und daß beim Übergang des Supraleiters
in den kritischen Zustand durch Überschreiten des kritischen Stromes der den Supraleiter
durchfließende Strom ganz oder teilweise von dem normalleitenden Metall übernommen
werden kann,. so daß der Übergang des Supraleiters vom supraleitenden in den normalleitenden
Zusta7nd kontinuierlich und -reversibel-erfolgt und durch eine geringfügige Verkleinerung
des Stromes der supraleitende Zustand-wieder hergestellt werden kann. Es ist-bereits
ein bandförmiger, aus Supraleitermaterial und elektrisch normalleitendem Metall
bestehender Leiter bekannt, bei dem mehrere parallel zueinander verlaufende Niob-Zirkon-Drähte
in ein breites Kupferband eingelagert sind. Dieser bekannte Leiter besitzt jedoch
den Nachteil,, daß man bei der Herstellung der Wicklung einer Supraleitungsspule
an die bei der Herstellung des bandförmigen Leiters gewählten Leiterabmessungen
gebunden ist und insbesondere die einmal gewählte Anzahl der in den bandförmigen
Leiter eingelagerten Supraleiter innerhalb der Spulenwicklung beibehalten muß und
diese Zahl nicht zur Anpassung an den örtlichen Verlauf des Magnetfeldes innerhalb
der Spulenwicklung variieren kann. Die Erfindung gibt einen,bandförmigen, aus Supraleitermaterial
und gut elektrisch normalleitendem Metall bestehenden Leiter an, bei dem diese Nachteile
vermieden sind.
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Erfindungsgemäß ist 'der bandförmige Leiter aus mehreren nebeneinander
liegenden, durch ein Verbindungselement verklammerten, elektrisch gut
leitend
miteinander verbundenen Einzelleitern aus elektrisch normalleitendem Metall aufgebaut,
von denen wenigstens einer einen oder mehrere eingelagerte Supraleiter enthält.
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Durch diesen Leiteraufbau ist die Möglichkeit gegeben, aus vorgefertigten
Grundelementen bandförmige Leiter unterschiedlicher Ab-.,
me.asungen zusammenzusetzen
und Wicklungen für Supraleitungsspulen mit verschiedenartigen Abmessungen aus gleichen
Grundelementen aufzubauen. Ferner kann innerhalb des-bandförmigen Leiters die Anzahl
der eingelagerte Supraleiter enthaltenden Einzelleiter variiert werden, indem solche
Einzelleiter gegen Einzelleiter ausgetauscht werden, die keine Supraleiter enthalten.
Aufgrund dieser Austauschmöglichkeit kann die Zusammensetzung des Leiters dem örtlichen
Magnetfeldverlauf innerhalb einer aus dem Leiter hergestellten Spulenwicklung in
einfacher Weise angepaßt werden.- -Um bereits eine gute elektrische-Stabilisierung
der Supraleiter enthaltenden Einzelleiter zu erreichen, werden diese vorzugsweise
derart aufgebaut, daß der Querschnitt des normalleitenden Metalls größer ist als
der Querschnitt des Supraleitermaterials. Um das mit einem eventuellen Bruch eines
Supraleiters verbundene Risiko einzuschränken, kann es vorteilhaft sein; Einzelleiter
vorzusehen, die wenigstens zwei parallel zueinander verlaufende Supraleiter enthalten.
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Der bandförmige Leiter gemäß der Erfindung kann in verschiedener Weise
ausgestaltet sein.
Bei einer Ausführungsform ist als Verbindungselement
ein Metallband mit Längsrillen vorgesehen, während die dem Verbindungselement zugekehrte
Seite der Einzelleiter ein in diese Rillen passendes Rillenprofil aufweist. Bei
dieser Ausführungsform ist der Querschnitt des. elektrisch normalleitenden Materials
im Verhältnis zu dem des Supra- , leitermaterals verhältnismäßig groß. .
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Für Anwendungen, bei denen ein geringerer Querschnitt des elektrisch
normalleitenden Metalls erwünscht ist, eignet sich vorzugsweise eine andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen bandförmigen Leiters, bei der die Einzelleiter 'aus Bändern
mit Bördelrändern bestehen, die gegebenenfalls die Supraleiter umschließen, und
das Verbindungselement ein zwischen diese Bördelränder eingreifendes Profil besitzt.
Das Verbindungselement kann dabei aus mehreren nebeneinanderliegenden Bändern mit
Bördelrändern bestehen, die zwischen die Bördelränder der Einzelleiter eingreifen.
Ferner kann als Verbindungselement auch ein Band mit Rippen vorgesehen sein, die
zwischen die Bördelränder der Einzelleiter eingreifen.
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Bei einer weiteren Au führunggform des erfindungsgemäßen bandförmigen
Leiters besitzen die Einzelleiter eine ebene-Oberfläche, während 'als Verbindungselement
ein Band mit Rippen vorgesehen ist deren Abstand der Breite der Einzelleiter entspricht.
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Als elektrisch normalleitendes Metall für die bandförmigen Einzelleiter
eignen sich insbesondere die. Metalle Kupfer und Aluminium, die insbesondere in
hochreiner Form bei tiefen Temperaturen eine rrohe
elektrische Zeitfähigkeit
und gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. Als Supraleiter eignen sich Drähte und Bänder
aus Hochfeldsupraleitermaterial, insbesondere aus Niob-Zirkon, Niob-Titan oder mit
Schichten aus Ni ob-Zinn (Nb3Sn). Das Verbindungselement des bandförmigen Leiters
kann, ebenfalls aus einem gut elektrisch normalleitenden Metall:, :wie Kupfer oder
Aluminium, @bestehen. Es dient dann gleichzeitig zur elektrisch leitenden Verbindung
der Einzelleiter. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des-bandförmigen Leiters
kann das Verbindungselement auch aus gut elektrisch normalleitendem Metall und mechanisch
hochfestem Material zusammengesetzt sein. Beispielsweise können in ein aus Kupfer
bestehendes Band Stahldrärite oder Glasfasern eingelagert oder auf ein Kupferband
Rippen aus Stahlbändern aufgeschweißt sein. Zur Erzielung einer besonders höhen
mechanischen Festigkeit kann das Verbindungselement auch vollständig-aus mechanisch
hochfestem Mäterial, beispielsweise aus Stahl, bestehen. Bei bandförmigen Leitern,deren
Verbindungselemente aus elektrisch normalleitendem und mechanisch hochfestem Material
zusammengesetzt sind oder ganz aus mechanisch hochfestem Material bestehen, kann
es ferner vorteilhaft sein, zwischen die Einzelleiter und das Verbindungselement
eine gut elektrisch normalleitende Folie einzulegen. Durch dies e.Fölie wird eine
gute elektrisch leitende Verbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Einzelleitern
gesichert.
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Der erfindungsgemäße bandförmige Leiter kann vor dem Wickeln einer
Supraleitungsspule aus den einzelnen Elementen zusammengesetzt werden. Gegebenenfalls
können die einzelnen Elemente dabei mittels eines a
niedrig Schmelzenden
Metalls, beispielsweise mittels Indium, verlötet werden. Es kann jedoch auch vorteilhaft
sein, den bandförmigen Leiter erst unmittelbar bei der Herstellung der Spulenwicklung
zusammenzusetzen. Dabei- werden die Einzelleiter nebeneinandergelegt und das Verbindungselement--auf
diese. aufgewickelt. Durch den Wickeldruck wird dann der bandförmige Ieiter fest
zusammengehalten. Der bandförmige Ieiter gemäß der Erfindung ist insbesondere für
Supräleitungsspulen mit scheibenförmigen Wicklungen geeignet. Die Spulenwicklung
kann dabei_vorteilhaft derart ausgebildet sein, daß die Anzahl der eingelagerte
Supraleiter enthaltenden Einzelleiter: im bandförmigen Leiter zur Spulenachse hinzunimmt
und die Anzahl der keine Supraleiter enthaltenden Einzelleiter in gleichem Maße
abnimmt. .Dadurch wird erreicht, daß bei gleichmäßiger Breite des bandförmigen Leiters
in dem Teil der Spule, der stärkeren Magnetfeldern ausgesetzt ist, mehr Supraleitermaterial
für den Stromtransport zur Verfügungsteht als in dem einem schwächeren Magnetfeld
ausgesetzten achsenfernen Teil der Spulenwicklung, wo wegen der höheren Strombelastbarkeit
der Supraleiter weniger Supraletermaterial erforderlich ist. Gegenüber Spulen mit
bandförmigen Leitern, deren Zusammensetzung nicht variabel ist, können bei dieser
Bauart erheblich Mengen von Supraleitermäterial eingespart ;werden.
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Besondere zusätzliche Vorteile- bietet der erfindungsgemäße Leiter
bei Supraleitungsspulen, deren Wicklung aus mehreren scheibenförmigen Teilwicklungen
besteht und-in@Form einer gestürzten Wicklung ausgeführt ist: An der Übergangsstelle
Zwischen zwei scheibenförmigen Teil-Wicklungen wird bei dieser Bauart als VerbndVngsel
ement für den bandförmigen
Leiter vorzugsweise ein vorgeformtes
Bauteil vorgesehen: Während der M ortage der Spule können dann die Einzelleiter
des-bandförmigen Leiters gegenüber dem vorgeformten Verbindungselement gleitend
verschoben werden. Dadurch wird die Montage der Spule äußerst vereinfacht. Ferner
werden unnötige mechanische Beanspruchungen der' Supraleiter beim Aufbau der Spulenwicklung
vermieden.
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Anhand einiger-Eiguren und Beispiele soll die Erfindung noch näher
erläutert werden: Die Figuren 1 bis 9 zeigen schematisch im Querschnitt verschiedene
beispielhafte Ausführungsformen des bandförmigen Leiters gemäß der Erfindung.
| eine |
| Figur 10. zeigt schematisch im Schnitt/Sup-raleitungsspule
mit einer |
scheibenförmigen Wicklung. -aus dem bandförmigen Leiter gemäß der Erfindung. Figur
11-zeigt schematisch einen Teil einer Supraleitungsspule mit zwei scheibenfärmgen.T'eilwicklungen
aus dem bandförmigen Leiter gemäß der Erfindung. In Figur 1a ist ein bandförmiger
Leiter dargestellt, der aus mehreren elektrisch normalleitenden, beispielsweise
aus Kupfer bestehenden bandförmigen Einzelleitern 1 zusammengesetzt ist, in welche
die Supraleiter 2 eingelagert sind. Als Supraleiter können beispielsweise Niob-Zirkon-Drähte
verwendet werden, die etwa durch Einwalzen in den bandförmigen Einzelleiter 1 eingelagert
werden können. Als Verbindungselement ist ein elektrisch normalleitendes, beispielsweise
ebenfalls aus Kupfer bestehendes Band 3 vorgesehen, in das Längsrillen 4 eingeprägt
sind. Die dem Band 3 zugewandte Seite der bandförmigen Einzel-
Leiter
1 besitzt ebenfalls ein Rillenprofil, das in die Längsrillen 4 eingreift. Wenn die
Anzahl der Supraleiter enthaltenden Einzel--leiterinnerhalb des bandförmigen Leiters
verändert werden, die Breite des bandförmigen Leiters jedoch konstant gehalten werden.soll,
erhält man den in Figur 1b dargestellten Bandquerschnitt. In dieser Figczr ist einer
der eingelagerte Supraleiter enthaltenden Einzelleiter 1,durch einen bandförmigen
Einzelleiter 5 ersetzt, der. keine Supraleiter enhält,@ sondern vollständig aus
elektrisch normalleitendem Material besteht. Figur 1c zeigt den Querschnitt des
bandförmigen Leiters, wenn ein weiterer Einzelleiter 1 .mit eingelagerten- Supraleitern
durch einen vollständig aus elektrisch normalleitendem Metall bestehenden-Einzelleiter
5-ersetzt ist. Figur 2 zeigt einen bandförmigen Leiter, der entsprechend Figur 1a
aufgebaut ist. Zusätzlich sind jedoch in das aus elektrisch normalleitendem Metall
bestehende Verbindungselement 3 zur Armierung Stahldrähte 6, beispielsweise durch
Einwalzen, eingelagert.
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Bei dem in Figur 3 im Querschnittdargestellten bandförmigen Leiter
besteht das Verbindungselement 7 vollständig aus mechanisch hochfestem Material,
beispielsweise, aus Stahl: Zwischen die Einzelleiter i` und das bandförmige--Verbindungselement
7 ist eine Kupferfolie 8 eingelegt, die einen guten elektrischen Kontakt zwischen
den Einzelleitern 1 gewährleistet.
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Figur 4 zeigt einen bandförmigen Leiter, bei dem die Supraleiter 9
an der vom bandförmigen Verbindungselement 10 abgewandten Seite der bandförmigen
Einzelleiter 11 liegen. Bei dieser Ausführungsform können
die Supraleiter
9 beispielsweise durch Ultraschallschweißen in die bandförmigen-Leiter 11, die beispielsweise
aus Aluminium bestehen können,: eingedrückt sein. Das bandförmige Verbindungselement
10 und die-Einzelleiter 11 weisen wieder ineinander: passende Längsrillen auf.
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Bei der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform des bandförmigen
Leiters besteheh die Einzelleiter 12' aus normalleitenden Bändern mit Bördelrändern
13, die durch Umschlagen der Bandkanten hergestellt sind. Gleichzeitig sind durch
das Umschlagen der Bandkanten die Supraleiter 14 in 'den bandförmigen Einzelleitern
12 festgehalten. Das Verbindungselement besteht ebenfalls aus.mit Bördelrändern
versehenen -elektrisch normalleitenden Bändern 15. Beim Umschlagen der Kanten dieser
Bänder 15 können gleichzeitig@Armierungsdrähte 16 in. das Verbindungselement
eingebracht werden: In Figü6 ist ein bandförmiger Leiter dargestellt, dessen Einzelleiter-denen
von Figur 5 entsprechen. Als Verbindungselement ist jedoch ein elektrisch normalleitendes,.
beispielsweise aus Kupfer bestehendes Band 17 vorgesehen, das zwischen die
Bördelränder der Einzel leiten 'f2 eingreifende Rippen 18 besitzt.
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Figur 7 zeigt- einen bandförmigen Leiter mit Einzelleitern gemäß Figur
5. Das Verbindungselement besteht aus einem-Kupferband 19, auf das Stahlbänder 20
derart sufkeschweißt sind, daß siezwigehen de-Bördelränder der Einzelleiter 1'2
eingreifen. Durch die Stahlbänder 20 wird eine hohe mechanische Festigkeit des bandförmigen
Leiters gewährleistet.
Der in Figur B dargestellte bandförmige
Leiter ist ebenfalls aus den gleichen Einzelleitarn aufgebaut, wie der bandförmige
Leiter nach -Figur 5. Als Verbindungselement ist jedoch ein Stahlbande 21 vorgesehen,
auf das schmälere Stahlbänder 22 derart aufgeschweißt sind, daß sie-zwischen-die
Bördelränder der Einzelleiter 12 eingreifen.
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Zur Sicherung eines guten elektrischen Kontaktes zwischen den Einzelleitern
12 sind bei dieser Ausführungsform gut elektrisch normalleitende, beispielsweise
aus Kupfer bestEhende Folien 23 zwischen di.e Einzelleiter 12 und das Stahlbhnd
21' eingelegt. Dieser Leiter besitzt eine besondere hohe mechanische Festigkeit
und eignet sich insbesondere für Spulen-, in deren Wicklungen große Kräfte auftreten.
Figur 9 zeigt einen bandförmigen Leiter, der aus mehreren bandförmigen Einzelleitern
24 mit ebener Oberfläche aufgebaut ist: In die Einzelleiter 24 sind wiederum Supraleiter
25 eingelagert. Als Verbindungselement ist ein Stahlband 26 vorgesehen, das schmale-
Stahlrippen 27 besitzt, deren Abstand der Breite der Einzelleiter-24 entspricht.
Die Einzelleiter 24 sind ferner durch ein dünnes Kupferband 28 elektrisch leitend
miteinander verbunden. Dieses Kupferband kann gegebenenfalls mit den Leitern 247
verschweißt seit.
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In Figur 10 ist eine Supraleitungsspule mit einer Scheibenwicklung
aus dem bandförmigen Leiter gemäß der Erfindung schematisch im Schnitt dargestellt.
Der bandförmige Leiter 30 ist dabei spiralförmig auf' einen zylindrischen Spulenkörper
31 aufgewickelt. Zwischen den einzelnen Wind4ngen können beispielsweise aus Isoliermaterial
bestehende, in Richtung der Spulenachse verlaufende Stege vorgesehen sein. Durch.
die
zwischen den Stegen verbleibenden kanalförmigen Zwischenräume kann dann das die
Spule im Betriebszustand umgebende Kühlmittel in die Spulenwicklung eindringen und
den bandförmigen Leiter nahezu vollständig umspühlen. Dadurch wird eine gute Kühlung
der Spulenwicklung erzielt. Die Spule kann derart aufgebaut sein, daß die Anzahl
derjenigen Einzelleiter, die eingelagerte Supraleiter enthalten, zur. Spulenachse
hin zunimmt. Der die Wicklung bildende bandförmige Leiter 30 hat dann in den dem
Spulenkörper 31 benachbarten Teilen der Wicklung etwa den in Fig. 1a dargestellten
Querschnitt, im Mittelteil der Spule etwa den in Figur 1b dargestellten Querschnitt
und-in den äußeren Zagen der spiralförmigen Wicklung den in Figur 1c dargestellten
Querschnitt. Figur 11 zeigt schematisch die beiden inneren Windungen einer Supraleitungsspule
mit einem bandförmigen Leiter gemäß der Erfindung, die aus zwei scheibenförmigen
Teilwicklungen besteht und in Form einer gestürzten Wicklung ausgeführt ist-.-Unter
gestürzter Wicklung ist dabei eine Wicklung zu verstehen, bei der die beiden -scheibenförmigen
Teilwicklungen aus einem einzigen bandförmigen Leiter gewickelt sind, wobei die
Enden dieses Leiters jeweils die äußersten Windungen der Scheibenspulen bilden.
Bei einer solchen Spule werden beide Teilwicklungen von einem zugeführten Strom
gleichsinnig durchlaufen, so daß sich die erzeugten Magnetfelder addieren. -In Figur
11 sind die beiden inneren Windungen beider Teilwicklungen mit 32 und 33 bezeichnet.
An der Übergangsstelle zwisdhen den beiden Teilwicklungen ist als Verbindungselement
für die Einzelleiter des bandförmigen Leiters r ein Formstück 34 vorgesehen. Dieses
Formstück besitzt ein in der Figur nicht dargestelltes Profil, durch das die-ginzelleiter
miteinander
verklammert werden: Der Verlauf der Einzel-leiter
ist durch unterbrochene Linien 35 angedeutet.
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Der bandförmige Leiter gemäß der trfindung kann gegenüber den in 'den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen noch weiter abgewandelt werden. Beispielsweise
können anstelle von drahtförmigen Süpraleitern auch supraleitende Bänder vorgesehen
werden. Ebenso kann die Zahl der in die Einzelleiter eingelagerten Supraleiter variiert
werden. Jedoch sollten, damit der bandförmige Leiter möglichst variabel bleibt,
die Einzelleiter niclit zu großdimensioniert sein.