DE1665830B2

DE1665830B2 -

Info

Publication number: DE1665830B2
Application number: DE1665830A
Authority: DE
Inventors: Cord Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Albrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-12-16
Filing date: 1966-12-16
Publication date: 1974-04-18
Also published as: DE1665830A1; DE1665830C3; FR1562867A

Description

Die Erfindung betrifft einen bandförmigen, aus Supraleitermaterial und elektrisch normalleitendem Metall bestehenden Leiter.

Für den Bau von Supraleitungsspulen, insbesondere von supraleitenden Großmagnetsn, haben sich sogenannte stabilisierte Leiter, die air supraleitenden und bei der Betriebstemperatur der bp'.ilen gut elektrisch leitenden, normalleitenden Metallen zusammengesetzt sind, als vorteilhaft erwiesen. Um eine gute elektrische Stabilität 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 Zustand 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 Supraleitermateria! und gut elektrisch normalleitendem Metall bestehenden Leiter an, bei dem diese Nachteile vermieden sind.

Erfindungsgemäß ist der bandförmige Leiter aus mehreren nebeneinanderliegenden, 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.

Durch diesen Leiteraufbau ist die Möglichkeit gegeben, aus vorgefertigten Grundelementen bandförmige Leiter unterschiedlicher Abmessungen 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. Auf Grund 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 Finzelleiter 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.

Der bandförmige Leiter gemäß der Erfindung kann in verschiedener Weise ausgestaltet sein.

Bei einer Ausführungsform ist als Verbindungselement ein Metallband mit Längsrilien 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 Supraleitermaterials verhältnismäßig groß.

Für Anwendungen, bei denen ein geringerer Querschnitt des elektrisch normalleitenden Metalls erwünscht ist, eignet sich vorzugsweise eine andere Ausfühiungsform 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.

Bei einer weiteren Ausführungsform 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.

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 hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Wärmeleitfäs higkeit besitzen. Als Supraleiter eignen sich Drähte und Bänder aus Hochfeldsupraleitermaterial, insbesondere aus Niob-Zirkon, Niob-Titan oder mit Schichten aus Niob-Zinn (Nb₃Sn).

Das Verbindungselement des bandförmigen Lei-ίο ters 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 Stahldrähte oder Glasfasern eingelagert oder auf ein Kupferband Rippen aus Stahroändern aufgeschweißt sein. Zur Erzielung einer besonders hohen mechanischen Festigkeit kann das Verbindungselement auch vollständig aus mechanisch hochfestem Material, 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 diese Folie wird eine gute elektrisch leitende Verbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Einzelleitern gesichert.

Der erfindungsgemäße bandförmige Leiter kann

vor dem WickeTn einer Supraleitungsspule aus den einzelnen Elementen zusammengesetzt werden. Gegebenenfalls können die einzelnen Elemente dabei mittels eines 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 Leiter fest zusammengehalten.

Der bandförmige Leiter gemäß der Erfindung ist insbesondere für Supraleitungsspulen mit scheibenförmigen Wicklungen geeignet. Die Spulemvicklung kann dabei vorteilhaft derart ausgebildet sein, daß d^;e Anzahl der eingelagerte Supraleiter enthaltenden Einzelleiter im bandförmigen Leiter zur Spulenachse hin zunimmt und die Anzahl c'er keine Supraleiter enthaltenden Einzelleiter in gleichem Maße abnimmt. Dadurch wird erreicht, daß bei gleichmäßiger Breite des jandförmigen Leiters in dem Teil der Spule, der stärkeren Magnetfeldern ausgesetzt ist, mehr Supraleitermaterial für den Stromtransport zur Verfugung steht als in dem einem schwächeren Magnetfeld ausgesetzten achsenfernen Teil der Spulenwicklung, wo wegen der höheren Strombelastbarkeit der Supraleiter weniger Supraleitermaterial erforderlich ist. Gegenüber Spulen mit bandförmigen Leitern, deren Zusammensetzung nicht variabel ist. können bei dieser Bauart erheblich Mengen von Supraleitermaterial eingespart werden.

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 Teilwicklungen wird bei dieser Bauart als Verbindungselement für den bandförmigen Leiter vorzugsweise ein vorgef'ormtcs Bauteil vorgesehen. Während der Montage 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.

An Hand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden:

Fig. 1 bis 9 zeigen schematisch im Querschnitt verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des bandförmigen Leiters gemäß der Erfindung;

Fig. IO zeigt schematisch im Schnitt eine Supraleitungsspule mit einer scheibenförmigen Wicklung aus dem bandförmigen Leiter gemäß der Erfindung;

Fig. 11 zeigt schematisch einen Teil einer Supraleitungsspule mit zwei scheibenförmigen Teilwicklungen aus dem bandförmigen Leiter gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 a ist ein bandförmiger Leiter dargestellt, der aus mehreren elektrisch normalleitenden, beispielsweise aus Kupfer bestehenden bandförmigen Einzelleitern I zusammengesetzt ist. in welche die Supraleiter! eingelagert sind. Als Supraleiter können beispielsweise Niob-Zirkon-Drähte verwendet werden, die etwa durch Einwalzen in den bandförmigen Einzelleiter I 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 Bund 3 zugewandte Seite der bandförmigen Einzelleiter 1 besitzt ebenfalls ein Rillenprofil, das in die Längsrillen 4 eingreift. Wenn die Anzahl der Supraleiter enthaltenden Einzelleiter innerhalb des bandförmigen Leiters verändert werden, die Breite des bandförmigen Leiters jedoch konstant gehalten werden soll, erhält man den in Fig. Ib dargestellten Bandquerschnitt. In dieser Figur ist einer der eingelagerte Supraleiter enthaltenden Einzelleiter ί durch einen bandförmigen Einzelleiter 5 ersetzt, der keine Supraleiter enthält, sondern vollständig aus elektrisch normalleitendem Material besteht. Fig. ic zeigt den Querschnitt des bandförmigen Leiters, wenn ein weiterer Einzelleiter 1 mit eingelagerten Supraleitern durch einen vollständig aus elektrisch normalleitendem Metall bestehenden Einzelleiters ersetzt ist.

F i g. 2 zeigt einen bandförmigen Leiter, der entsprechend F i g. 1 a aufgebaut ist. Zusätzlich sind jedoch in das aus elektrisch normaleitendem Metall bestehende Verbindungselement 3 zur Armierung Stahldrähte 6, beispielsweise durch Einwalzen, eingelagert.

Bei dem in Fig. 3 im Querschnitt dargestellten bandförmigen Leiter besteht das Verbindungselement 7 vollständig aus mechanisch hochfestem Material, beispielsweise aus Stahl. Zwischen die Einzelleiter 1 und das bandförmige Verbindungselement 7 ist eine Kupferfolie 8 eingelegt, die einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Einzelleitern 1 gewährleistet.

F i g. 4 zeiigt einen bandförmigen Leiter, bei dem die Supraleiter 9 an der vom bandförmigen Verbindungselement 10 abgewandten Seite der bandförmigen Einzelleiter Il 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 M) und die Einzelleiter 11 weisen wieder ineinanderpassende Längsrillen auf.

ίο Bei der in. Fig. 5 dargestellten Ausführungsform des bandförmigen Leiters bestehen die Einzelleiter 12 aus normalleitenden Bändern mit Bördclrändern 13, die durch Umschlagen der Bandkanten hergestellt sind. Gleichzeitig sind durch das Umschlager der Bandkanten die Supraleiter 14 in den bandförmigen Einzelleitern 12 festgehalten. Das Verbindungselement besteht ebenfalls aus mit Bördelrändern versehenen elektrisch normalleitenden Bändern 15 Beim LImschlagcn der Kanten dieser Bänder 15 können gleichzeitig Armierungsdrähte 16 in das Verbindungselement eingebracht werden.

In Fig. 6 ist ein bandförmiger Leiter dargestellt dessen Einzelleiter denen von Fig. 5 entsprechen Als Verbindungselement ist jedoch ein elektrisch normalleitendes, beispielsweise aus Kupfer bestehendes Ban<! 17 vorgesehen, das zwischen die Bördelränder der Einzelleiter 12 eingreifende Rippen If besitzt.

F i g. 7 zeigt einen bandförmigen Leiter mit Einzelleitern gemäß F i g. 5. Das Verbindungselement besteht aus einem Kupferband 19. auf das Stahlbändei 20 derart aufgeschweißt sind, daß sie zwischen die Bördelränder der Einzelleiter 12 eingreifen. Durch die Stahlbänder 20 wird eine hohe mechanische Fesiigkeit des bandförmigen Leiters gewährleistet.

Der in F i g. 8 dargestellte bandförmige Leiter isi ebenfalls aus den gleichen Einzelleitern aufgebaut wie der bandförmige Leiter nach Fi g. 5. Als Verbindungselement ist jedoch ein Stahlband 21 vorgeschen, auf das schmälere Stahlbänder 22 derart aufgeschweißt sind, daß sie zwischen die Bördelränder dei Einzelleiter 12 eingreifen. Zur Sicherung eines guter elektrischen Kontaktes zwischen den Einzelleitern 12 sind bei dieser Ausführungsform gut elektrisch nor-

malleitende, beispielsweise aus Kupfer bestehende Folien 23 zwischen die Einzelleiter 12 und das Stahlband 21 eingelegt. Dieser Leiter besitzt eine besondere hohe mechanische Festigkeit und eignet sich insbesondere für Spulen, in deren Wicklungen große

Kräfte auftreten.

F i g. 9 zeigt einen bandförmigen Leiter, der au; mehreren bandförmigen Einzelleitern 24 mit ebenei Oberfläche aufgebaut ist. In die Einzelleiter 24 sind wiederum Supraleiter 25 eingelagert. Als Verbin-

dungselement ist ein Stahlband 26 vorgesehen, das schmale Stahlrippen 27 besitzt, deren Abstand dei Breite der Einzelleiter 24 entspricht. Die Einzelleiter 24 sind ferner durch ein dünnes Kupferband 28 elektrisch leitend miteinander verbunden. Dieses Kupfer-

band kann gegebenenfalls mit den Leitern 24 verschweißt sein.

In Fig. 10 ist eine Supraleitungsspule mit einer Scheibenwicklung aus dem bandförmigen Leiter gemäß der Erfindung schematisch im Schnitt darge-

stellt. Der bandförmige Leiter 30 ist dabei spiralförmig auf einen zylindrischen Spulenkörper 31 aufgewickelt. Zwischen den einzelnen Windungen 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 umspülen. 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 T°'lfn der Wicklung etwa den in Fig. 1 a dargestellten Querschnitt, im Mittelteil der Spule etwa den in Fig. 1 b dargestellten Querschnitt und in den äußeren Lagen der spiralförmigen Wicklung den in Fig. I c dargestellten Querschnitt.

Fig. Il 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 Fig. 11 sind die beiden inneren Windungen beider Teilwicklungen mit 32 und 33 bezeichnet. An der Übergangsstelle zwischen den beiden Teilwicklungen ist als Verbindungselement für

ίο die Einzelleiter des bandförmigen Leiters ein Formstück 34 vorgesehen. Dieses Formstück besitzt ein in der Figur nicht dargestelltes Profil, durch das die Einzelleiter miteinander verklammert werden. Der Verlauf der Einzelleiter ist durch unterbrochene Linien 35 angedeutet.

Der bandförmige Leiter gemäß der Erfindung kann gegenüber den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen noch weiter abgewandelt werden. Beispielsweise können an Stelle von drahtförmigen Supraleitern 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 nicht zu groß dimcn-

sioniert sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409516/195

Claims

Patentansprüche:

1. Bandförmiger, aus Supraleitermaterial und gut elektrisch normalleitendem Metall bestehender Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren nebeneinanderliegenden, durch ein Verbindungselement (3) verkJammerten, elektrisch gut leitenden miteinander verbundenen Einzelleitern (1) aus elektrisch normalleitendem Metall aufgebaut ist, von denen wenigitens einer einen oder mehrere eingelagerte Supraleiter (2) enthält.

2. Bandförmiger Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Leiters die Anzahl der eingelagerte Supraleiter (2) enthaltenden Einzelleiter (1) variiert ist.

3. Bandförmiger Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den eingelagerte Supraleiter enthaltenden Einzelleitern (1) der Querschnitt des normalleitenden Metalls größer ist als der Querschnitt des Supraleitermaterials (2).

4. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerte Supraleiter enthaltenden Einzelleiter (1) wenigstens zwei parallel zueinander verlaufende Supraleiter (2) enthalten.

5. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungselement ein Metallband (3) mit Längsrillen (4) vorgesehen ist und die dem Verbindungselement zugekehrte Seite d..r Einzelleiter (1) ein in diese Rillen passendes Rillenprofil aufweist.

6. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter aus Bändern (12) mit Bördelrändern

(13) bestehen, die gegebenenfalls die Supraleiter

(14) umschließen, und das Verbindungselement ein zwischen diese Bördelränder eingreifendes Profil besitzt.

7. Bandförmiger Leiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement aus mehreren nebeneinanderliegenden Bändern (15) mit Bördelrändern besteht, die zwischen die Bördelrändcr (13) der Einzelleiter eingreifen.

8. Bandförmiger Leiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement aus einem Band (17) mit zwischen die Bördclrändcr (13) der Einzelleiter eingreifenden Rippen (18) besteht.

9. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter (24) eine ebene Oberfläche besitzen und als Verbindungselement ein Band (26) mit Rippen (27) vorgesehen ist, deren Abstand der Breite der Einzelleiter (24) entspricht.

10. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (3) aus gut elektrisch normalleitendem Metall besteht.

1 I. Bandförmiger Leiter nach einem der Anspiiiche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement aus gut elektrisch normalleitendem Metall (19) und mechanisch hochfestem Material (20) zusammengesetzt ist.

12. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (7) aus mechanisch hochfestem Material besteht.

13. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Einzelleiter (1) und das Verbindungselement (7) eine gut elektrisch normalleitende Folie (8) eingelegt ist.

14. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er in Form einer Scheibenwicklung gewickelt ist und die Anzahl der eingelagerte Supraleiter enthaltenden Einzelleiter zur Mittelachse der Scheibenwicklung hin zunimmt, während die Anzahl der keine Supraleiter enthaltenden Einzelleiter in gleichem Maße abnimmt.

15. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er zu einer aus mehreren scheibenförmigen Teilwicklungen (32, 33) bestehenden, in Form einer gestürzten Wicklung ausgeführten Spule gewickelt ist und das die nebeneinanderliegenden Einzelleiter verklammernde Verbindungselement an der Übergangsstelle zwischen zwei scheibenförmigen Teilwicklui.gen aus einem vorgeformten Bauteil (34) besteht.