DE2040298A1

DE2040298A1 - Electrical conductors with low alternating current losses

Info

Publication number: DE2040298A1
Application number: DE19702040298
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr Umlauf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-08-13
Filing date: 1970-08-13
Publication date: 1972-03-09

Description

Elektrische Leiter mit geringen Wechselstromverlusten Die Erfindung betrifft elektrische Leiter für Spulen, Energieleitungen und dgl. mit einem flexiblen Träger auf dem sich mindestens eine dünne supraleitende Schicht befindet. Diese Leiter sollen bei zeitlich veränderlicher Strombelastung (gepulste Ströme oder niederfrequenter Wechselstrom) geringe Energieverluste aufweisen.Low AC Loss Electrical Conductors The Invention relates to electrical conductors for coils, power lines and the like. With a flexible Carrier on which there is at least one thin superconducting layer. These Conductors should be subject to current loads that change over time (pulsed currents or low-frequency currents Alternating current) have low energy losses.

Supraleiter können zwar einen Gleichstrom leiten, ohne daß ein elektrischer Widerstand auftritt, doch ist die Belastung mit einem zeitlich veränderlichen Strom mit einer Energiedissipation verbunden. Dies gilt insbesondere für die technisch wichtigen Hochfeldsupraleiter (S. L. Wipf in Proceedings of the 1968 Brookhaven Summer Study on Superconducting Devices and Accelerators Seite 511, herausgegeben von Brookhaven National Laboratory, Upton, New York 1197)) Die Energieverluste, die als Wärme an das zum Betrieb der supraleitenden Bauelemente als Kühlmittel erforderliche flüssige Helium abgegeben werden, bilden eine der Hauptschwierigkeiten für die technische Realisierung und die wirtschaftliche Rentabilität z.B. von großen gepulsten Spulen (P. 1. Smith, a.Superconductors can conduct a direct current without an electrical one Resistance occurs, but the load is with a time-varying current associated with an energy dissipation. This is especially true for the technical important high-field superconductors (S. L. Wipf in Proceedings of the 1968 Brookhaven Summer Study on Superconducting Devices and Accelerators Page 511, published from Brookhaven National Laboratory, Upton, New York 1197)) The energy losses, as heat to the coolant required to operate the superconducting components liquid helium are released form one of the main difficulties for the technical Realization and economic profitability e.g. of large pulsed coils (P. 1. Smith, op.

a. 0.> Seite 971).a. 0.> page 971).

Gepulste Spulen werden z. B. für Teilchenbeschleuniger projekttert. Da im Niederfrequenzbereich die Energieverluste pro Periode konstant sind will man sich zunächst mit niedrigen Pulsfrequenzen von maximal 1 Hertz begnügen. Bei der Anwendung von Supraleitern im Bereich technischer Frequenzen ( 50 oder 60 Hz) stnd die Anforderungen bezüglich Minimalisierung der Wechselstromverluste dementsprechend hoher.Pulsed coils are z. B. projecttert for particle accelerators. Since the energy losses per period are constant in the low frequency range, one wants Initially, be satisfied with low pulse frequencies of a maximum of 1 Hertz. In the Use of superconductors in the range of technical frequencies (50 or 60 Hz) the requirements for minimizing AC losses accordingly higher.

Zum Wickeln von Spulen sind supraleltende Bänder bekannt, die ein normalleitendes Metall (rostfreier Stahl) oder einen Supraleiter (Niobium) der bei höheren rulagnetischen Feldstärken normalleitend wird als Trä#ermaterial verwenden, auf das man mit besonders entwickelten Verfahren supraleitende Schichten aus Nb5Sn aufbringt, das aufgrund seiner Materialeigenschaften sowie der verwendeten Herstellungsverfahren nicht geeignet ist, als Draht oder Band ohne Trägermaterial hergestellt und verarbeitet zu werden. ijber der Nb3Sn-Schicht trägt man noch eine Schicht aus einem Silber oder Kupfer auf, um den Supraleiter gegen FluB-sprünge zu stabilisieren (S. L. Wipf, a.a.O., Seite 595). Eine Abschätzung für projektierte gepulste Spulen ergab, daß die Verluste dieser Bänder um einen Faktor 25 - 50 zu groß sind.For winding coils superconducting tapes are known that a normal conductive metal (stainless steel) or a superconductor (niobium) of the higher magnetic field strengths normally conducting will be used as carrier material, on the superconducting layers made of Nb5Sn using specially developed processes applies, due to its material properties and the manufacturing process used is not suitable, manufactured and processed as wire or tape without a carrier material to become. A layer of silver is also worn over the Nb3Sn layer or copper to stabilize the superconductor against jumps in the flow (S. L. Wipf, loc. cit., page 595). An estimate for projected pulsed coils showed that the losses of these bands are too great by a factor of 25-50.

Neben diesen Nb5Sn-Bändern werden hauptsächlich Drähte aus duktilen Legierungen von Niobium mit Titan verwendet. Aus diesem Material werden insbesondere sogenannte Mehrfachleiter hergestellt Diese bestenen aus einem Litzenbündel das in einer Matrix aus Kupfer eingebettet ist. Zur Reduzierung der Wechselstromierluste hat es sich aufgrund theoretiscner Jberlegungen (P. I. Smith et al., a.a.O.. Seite 91») als vorteilhaft erwiesen, diese Mehrfacnleiter nach folgenden Gesichtspunkten herzustellen: a) Die supraleltenden Einzeldrähte sollen einen möglichst kleinen Durchmesser haben (kleiner 50 #m). Damit erreicht man neben der Reduzierung der Wechselstro,zluerluste auch das eigenstabile Verhalten des Leiters (P. I. Stith et al., a.a.O., Seite 9131.In addition to these Nb5Sn tapes, ductile wires are mainly used Alloys of niobium with titanium are used. This material becomes in particular so-called multiple conductors produced These consist of a bundle of strands is embedded in a matrix made of copper. To reduce the AC losses On the basis of theoretical considerations (P. I. Smith et al., loc. cit. page 91 ») proved to be advantageous, this multifaceted ladder according to the following points of view to produce: a) The superconducting individual wires should be as small as possible Have a diameter (less than 50 #m). In addition to reducing the Alternating currents also add to the inherent stability of the conductor (P. I. Stith et al., supra, p. 9131.

b) Das supraleitende Litzenbündel soll schraubenförmig in der Kupfermatrix verlaufen. Die Ganghöhe hängt dabei von dem elektrischen Widerstand zwischen den Einzeldrähten ab. Um größere Ganghöhen verwenden zu können, werden z.T. die Einzeldrähte noch mit einer dünnen Schicht einer schlecht leitenden Legierung überzogen. Bei isolierten Einzeldrähten könnte man theoretisch auf diese schraubenförmige Anordnung Verzichten, ohne die Wechselstromverluste zu erhöhen.b) The superconducting strand bundle should be helical in the copper matrix get lost. The pitch depends on the electrical resistance between the Single wires. In order to be able to use greater pitches, the individual wires are sometimes used still covered with a thin layer of a poorly conductive alloy. at isolated single wires could theoretically be applied to this helical arrangement Do without without increasing the AC losses.

c) Das Volumenverhältnis Kupfer/Supraleiter wird möglichst klein gemacht.c) The volume ratio copper / superconductor is made as small as possible.

Mit diesen Mehrfachleitern wurden relativ geringe Wechselstromverluste erzielt, wenngleich diese z.B. für die projektierten gepulsten Spulen noch immer zu groß sind. Eine Verbesserung dieser Leiter durch eine weitere Verkleinerung der Einzeldrahtdurchmesser (unter 10 #m) ist sehr aufwendig und sonwierig. Außerdem haben diese Mehrfachleiter den prinzipiellen Nachteil, daß man auf die Verwendung duktiler supraleitender Legierungen angewiesen ist. Die kritische Strondichte als Funktion des Magnetfeldes ist jedocn bei den bekannten duktilen Legierungen wesentlich geringer als bei den spröden Verbindungen wie Nb Sn, V Ga, V3S1, NbN.With these multiple conductors, there were relatively low AC losses achieved, although this is still e.g. for the projected pulsed coils are too big. Improving this ladder by further downsizing the Single wire diameter (less than 10 #m) is very complex and difficult. aside from that these multiple conductors have the fundamental disadvantage that one has to use is dependent on ductile superconducting alloys. The critical stream density as However, the function of the magnetic field is essential in the known ductile alloys lower than with the brittle compounds such as Nb Sn, V Ga, V3S1, NbN.

5 Ebenso liegt das kritische Magnetfeld für den jbergang zur Normalleitung bei den duktilen Legierungen wesentlich unter dem der genannten spröden Materialien (R. B. Britton, a.a.0. Seite 449 und D. W. Deis et al., Journal of Applied Phvsics t*O,2155 (1969) 3. 5 Likewise, there is the critical magnetic field for the transition to normal conduction in the case of ductile alloys, it is significantly below that of the brittle materials mentioned (R. B. Britton, op. Cit., Page 449 and D. W. Deis et al., Journal of Applied Physics t * O, 2155 (1969) 3.

Außerden haben die bekannten Mehrfachleiter den Nachteil, daß Kupfer oder anderes normalleitendes Material mitverwendet wird und dessen Volumenanteil auch nicht beliebig klein gehalten werden kann. Bei Anwendung größerer Pulsfrequenzen oder von 50 Hz Wechselstrom treten somit neben den Verlusten im supraleitenden Material noch die Wirbelstromverluste im Normalleiter hinzu.In addition, the known multiple conductors have the disadvantage that copper or other normally conductive material is also used and its volume fraction also cannot be kept arbitrarily small. When using higher pulse frequencies or 50 Hz alternating current occur in addition to the losses in the superconducting material the eddy current losses in the normal conductor are also added.

Der vorlie#:enden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits den vorteil eines Trsger;naterials zu nutzen, wodurch auch nichtdukttle supraleitende Lezierunzen zur Herstellung flexibler Leiter verwendet werden können. ohne daß im Tr germaterial Wechselfelderluste auftreten, andererseits durch geeignete Herstellungsverfahren Leiteranordnungen zu schaffen, die nach theoretischen Betrachtungen und den praktischen Erfahrungen mit den bekannten Mehrfachleitern wesentlich geringere Wechselstromverluste erwarten lassen. Diese Aufgabe wird getnäß der Erfindung dadurch gelöst, daß elektrisch isolierendes Material in Form dünner Fasern oder Bänder als Träger eines Hochfeldsupraleiters verwendet wird und daß das supraleitende Material, und wenn es zweckmäßig erscheint, auch normalleitendes und isolierendes Material in Form dünner Schichten in geeigneter Anordnung aufgebracht wird.The present invention is based on the object, on the one hand to use the advantage of a carrier material, which also makes non-ductile superconductors Lezierunzen for making flexible conductors can be used. without alternating field losses occurring in the carrier material, on the other hand through suitable Manufacturing process to create conductor arrangements based on theoretical considerations and the practical experience with the well-known multiple conductors is much lower Expect AC losses. This object is thereby achieved according to the invention solved that electrically insulating material in the form of thin fibers or ribbons as Carrier of a high field superconductor is used and that the superconducting material, and if it seems appropriate, also normally conductive and insulating material is applied in the form of thin layers in a suitable arrangement.

Die Aufbringung der Schichten kann erfolgen a) durch Aufdampfen im Vakuum b) durch Kathodenzerstäubung c) durch Kathodenzerstäubung bei gleichzeit Ürner Reaktion des aufgestäubten Materials ,Lt der Gasatmosphäre (reactive #puttering), wie es zur Herstellung von supraleitenden Nitriden z. B. NbN, NbZrN, NbTiN verwendet wird, d) durch elektrolytische Abscheidung e) durch Eintauchen in eine metallische Schmelze i.B. zur Herstellung von Diifusionsschichten (Nb 5Sn, V5Ga) f) durch eine Gasphasenreaktion z.B. zur Herstellung von Nb Sn.The layers can be applied a) by vapor deposition in Vacuum b) by cathode sputtering c) by cathode sputtering at the same time The reaction of the sputtered material, Lt of the gas atmosphere (reactive #puttering), as it is for the production of superconducting nitrides z. B. NbN, NbZrN, NbTiN are used is, d) by electrolytic deposition e) by immersion in a metallic Melt i.B. for the production of diffusion layers (Nb 5Sn, V5Ga) f) by a Gas phase reaction e.g. for the production of Nb Sn.

5 Bei Anwendung der Verfahren d), e), f) muß der Isolator zuvor mit einer metallischen Schicht nach Verfahren a), b), oder c) versehen werden. 5 When using methods d), e), f), the isolator must be equipped with a metallic layer according to method a), b), or c).

Die theoretischen Forderungen zur Minimalisierung der Wechselstromverluste können gemäß der Erfindung in technisch einfacher Weise erfüllt werden.The theoretical requirements for minimizing AC losses can be fulfilled according to the invention in a technically simple manner.

1) Die Schichtdicken können ohne Schwierigkeit beliebig klein gemacht werden. Auch der Querschnitt des supraleitenden Materials ist bei Verwendung dünner Fasern als Träger genügend klein, um ein eigenstabiles Verhalten des Supraleiters zu gewährleisten. Bei Verwendung eines ban#örmigen Trägers kann man auf diesen eine größere Zahl schmaler Streifen aufbringen.1) The layer thicknesses can be made as small as desired without difficulty will. Also the cross section of the superconducting Materials is at Use of thin fibers as a carrier small enough to have an inherently stable behavior of the superconductor. When using a ban # igen carrier can you apply a larger number of narrow strips to this.

2) Die Forderung nach Verdrillen der supraleitenden Schichten wird bei den Fasern dadurch gelöst, daß es zur praktischen Handhabung ohnehin erforderlich ist, eine Vielzahl solcher Fasern zu einem stärkeren Strang zu verdrillen oder zu verflechten. Für die Verwendung von Bändern werden hierzu unten entsprechende Ausführungsbeispiele beschrieben.2) The requirement for twisting the superconducting layers becomes solved in the case of the fibers in that it is already necessary for practical handling is to twist or twist a large number of such fibers into a stronger strand intertwine. Corresponding exemplary embodiments are given below for the use of tapes described.

3) Auf die Verwendung von normalleitendem Material kann nach der Erfindung im Prinzip ganz verzichtet werden.3) According to the invention, normal conducting material can be used can in principle be dispensed with entirely.

Falls es sich als vorteilhaft erweist, kann das supraleitende Material mit verschiedenen normalleitenden Materialien sowie mit isolierenden Schichten zu Schichtpaketen kombiniert werden, wobei das Volumenverhältnis der einzelnen Schichten praktisch beliebig variiert werden kann.If it proves to be advantageous, the superconducting material with various normally conductive materials as well as with insulating layers Layer packages are combined, with the volume ratio of the individual layers can be varied practically as desired.

Um einen handlichen Leiter zum Wickeln von Spulen zu erhalten, wird man etwa 1000 beschichtete Fasern zu einem drahtförmigen Leiter zusammenfassen und diesen Leiter mit einer Isolierschicht überziehen, die auch die Funktion einer Schutzschicht hat. Verwendet man eine Isolierschicht, die den Leiter nicht vollkommen dicht umschließt, z.B. mittels eines porösen Isoliermaterials, so hat man beim Betrieb des Leiters in superfluidem Helium den weiteren Vorteil, daß die Ktihlflüssigkeit in die feinen Kanäle zwischen den gebündelten Fasern eindringen kann, wodurch eine ideale Wärmeabfuhr an das Kühlmittel erreicht wird.To get a handy conductor for winding coils, you combine about 1000 coated fibers into a wire-shaped conductor and Cover this conductor with an insulating layer, which also acts as a protective layer Has. If an insulating layer is used that does not completely tightly enclose the conductor, e.g. by means of a porous insulating material, one has when operating the conductor in superfluid helium the further advantage that the cooling liquid in the fine Channels between the bundled fibers can penetrate, creating ideal heat dissipation to the coolant is reached.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen bei der Verwendung von bandförmigen Trägern erläutert: Fig. 1: Das Trägermaterial 1 wird mit einer Anzahl schmaler supraleitender Streifen 2 (Dicke etwa 1 Breite ca. 1 mm) beschichtet. Bei gegeneinander isolierten supraleitenden Streifen ist keine Verdrillung zur Reduzierung der Wechselstromverluste erforderlich. Will man auch eine Kupferschicht auftragen, z. B. zur besseren Wärmeabfuhr, so kann man auf den Träger mit den supraleitenden Streifen als zweite Schicht eine dünne Isolierschicht 5 (Dicke ca. 0,1 em) und darüber als dritte Schicht die Kupferschicht 4 auftragen.The invention is illustrated below with the aid of exemplary embodiments the use of band-shaped carriers explained: Fig. 1: The carrier material 1 is made with a number of narrow superconducting strips 2 (thickness about 1 width approx. 1 mm) coated. In the case of mutually insulated superconducting strips, no twist required to reduce AC losses. Do you want also apply a copper layer, e.g. B. for better heat dissipation, so you can the carrier with the superconducting strips as a second layer is a thin insulating layer 5 (thickness approx. 0.1 em) and then apply the copper layer 4 as a third layer.

Fig. 2: Die supraleitende Schicht wird in direkten Kontakt mit der normalleiteriden Schicht gebracht. Auf den Träger 1 wird als erstes supraleitendes Material in Form eines Systems schräger Streifen 12 aufgebracht. Darüber wird eine normalleitende Schicht 13 aufgetragen (diese ist nur durch Umrißlinien angedeutet), die sich nicht über die ganze Breite des Trägers erstreckt, sondern die Kontaktflächen 19 frei läßt. Auf diese normalleitende Schicht wird erneut ein supraleitendes Streifensystem 14 aufgebracht, und zwar spiegelbildlich zum Streifensystem 12.Fig. 2: The superconducting layer is in direct contact with the normal conductoriden layer brought. On the carrier 1 is first superconducting Material in the form of a system of inclined strips 12 is applied. A normally conductive layer 13 applied (this is only indicated by outlines), which does not extend over the entire width of the carrier, but the contact surfaces 19 releases. A superconducting strip system is again placed on this normally conductive layer 14 applied, in a mirror image of the strip system 12.

Damit ergibt sich ein System verdrillter supraleitender Bänder. This results in a system of twisted superconducting tapes.

Als Schichtträger für die Erfindung eignet sich ein elektrisch isolierendes Material, das als dünne flexible Faser (Durchmesser z. B. 5-10 turm) oder als dünnes Band (Dicke ca. lo Mm) hergestellt und verarbeitet werden kann. Außerdem ist es günstig, wenn das Trägermaterial einen, den Metallen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat und eine hohe elastische Zugfestigkeit besitzt. Für einige der angeführten Techniken zur Auftragung von Schichten tritt noch die Forderung nach ausreichender Beständigkeit des Trägermaterials für hohe Temperaturen hinzu. Von den derzeit auf dem Markt erhältlichen Materialien kommen in erster Linie dünne Fasern aus Glas oder Quarzglas in Frage. Folien aus Polyimide und Polyterephthalate erscheinen für einige Herstellungsverfahren ebenfalls geeignet. Schließlich kommen auch Metallbänder als Träger in Frage, die allseitig oder mindestens auf der Seite auf der die supraleitende Schicht aufgebracht wird, isolierend ausgebildet sind.An electrically insulating one is suitable as a layer support for the invention Material that is available as a thin flexible fiber (diameter e.g. 5-10 tower) or as a thin Tape (thickness approx. Lo mm) can be produced and processed. Besides, it is favorable if the carrier material has a coefficient of thermal expansion similar to that of metals has and high elastic Has tensile strength. For some of the The above-mentioned techniques for applying layers are still required sufficient resistance of the carrier material to high temperatures. from the materials currently available on the market are primarily thin Fibers made of glass or quartz glass in question. Films made from polyimide and polyterephthalate also appear suitable for some manufacturing processes. Finally come Metal bands can also be used as a carrier, on all sides or at least on the side on which the superconducting layer is applied, are designed to be insulating.

Claims

Electrical conductor for coils, power lines and the like with a flexible carrier on which there is at least one thin superconducting layer is located that there are no indications that the carrier is electrical is designed to be insulating or

consists of insulating material.

2) Electrical conductor according to claim 1, characterized in that the carrier is bestent from a quartz or glass thread.

») Electrical conductor according to claim 1 characterized by #ekennze ichnet ~ that the carrier consists of a plastic tape.

4) Electrical conductor according to claim 1) characterized in that the carrier consists of an insulated metal band.

5) Electrical conductor according to claim 5 or 4 d a d u r c h g e k e n n e i c n n e t that several separate, approximately parallel ones on the carrier Scatter dus superconductor material are arranged.

6) Electrical last according to claim 5, characterized in that on the parallel conductor strip, one that insulates at low temperatures Layer is located, and that on this insulating layer is a normally conductive Layer is located.

7) Electrical conductor according to claim f or lt characterized in that on one side of the belt a system of oblique to Longitudinal direction of the belt running conductor pieces is arranged that on your rlittleren area of this Conductor pieces a separating layer made of non-superconducting material is that on this separating layer is a second system of parental pieces, which are in opposite directions Meaning scarag runs like the ladder pieces of the first system and that the ends of the conductor pieces of both systems are so electrically connected that results in a number of twisted superconducting individual conductors.

&) Electrical conductor according to claim 2, characterized in that that there is at least one normally conductive layer on or under the superconducting layer Layer is located.

9) Method of manufacturing an electrical conductor according to a of the preceding claims d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t, d a ß das Superconductor material is evaporated in a vacuum.

10) Method of manufacturing an electrical conductor according to a of the preceding claims, characterized in that the superconductor material is vapor deposited by cathode sputtering.

11) Method of manufacturing an electrical conductor according to a of the preceding claims, characterized in that the superconductor material by cathode sputtering with simultaneous reaction of the sputtered material is produced with the gas atmosphere.

12) Method of manufacturing an electrical conductor according to a of the preceding claims d a d u r c h g e n n n z e i c h n e t, d a ß das Superconductor material is applied by electrolytic deposition.

13) Procedure for making an electrical conductor after a of the preceding claims that the superconductor material is indicated is produced by a diffusion process, and for the fact that a metal layer (z. B. niobium or funadium) is applied to the carrier and that one another Diffuse element (e.g. tin or gallium) into the first applied layer let.

14) A method for producing a conductor according to claim 2 thereby characterized, dj ß from a number of monofilament conductors by twisting or Intertwining a multiple conductor is made.