METHOD FOR THE PRODUCTION OF SUPERCONDUCTIVE WINDING

Abstract: 1. Method for manufacturing a superconductive winding in which several thousand fibres, which are provided with a superconductive layer and with a highly conductive metal layer, are combined to form a bundle and this bundle is surrounded by an insulation layer, characterised in that the bundle is saturated in synthetic material, wound in a former (5, 6, 7) into a coil (1) and the synthetic material is hardened in this former.

Description: Supraleitende Wicklungen Die Erfindung bezieht sich auf supraleitende Wicklungen. 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 Isolationsschicht 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. Die metallurgischen Herstellungsverfahren für supraleitende Drähte sind insbesondere für Nb3Sn-Supraleiter sehr auf wendig. Bei letzteren muss zur Bildung des supraleitenden Materials eine Diffusionsglühung bei bsw, 700"C 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 Spulen 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 besondere Anforderungen bezüglich der Temperaturbeständigkeit stellt. Es ist Aufgabe der Erfindung, supraleitende Spulen und Wicklungen zur Vermeidung der Nachteile bei Verwendung von Filamentleitern herzustellen. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die supraleitenden Wicklungen aus Faserleitern, die aus mit einer supraleitenden Schicht versehenen Fasern bestehen, hergestellt werden. Es ist bereits bekannt, Kohlenstoffasern mit einer dünnen Schicht einer Niobverbindung der allgemeinen Formel NbCxNy und einer äusseren hochleitfähigen Metallschicht zu versehen. Derartige supraleitende Niobcarbonitrit-Schichten können kontinuierlich hergestellt werden bsw. kann aus dampfförmigem Niobchlorid in einer Wasserstoffatmosphäre bei etwa 600"C metallisches Niob auf den Kohlenstoffasern (Kohlenstofffilamenten) abgeschieden werden. Dieses metallische Niob wird anschliessend in einer Ammoniak- und Methanatmosphäre bei etwa 1000 C in die supraleitende Niobcarbonitritverbindung umgewandelt (DE-AS 28 56 885). 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. Besonders zweckmässig ist es, eine Wicklung gemäss der Erfindung derart herzustellen, dass mehrere Tausend mit einer supraleitenden Schicht und mit einer hochleitfähigen Metallschicht und mit einer leitfähigen Metallschicht versehene Fasern zu einem Bündel zusammengefasst werden, und dass dieses Bündel mit einer Isolationsschicht umgeben und dass dieses 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 nach weiteren Merkmalen der Erfindung 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 (z.B. Generatorwelle) derart abgestimmt wird, dass das thermische Schrumpfverhalten der supraleitenden Wicklung an das thermische Schrumpfverhalten des Trägerkörpers angepasst wird. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können Kühlrohre an beliebiger Stelle in die Faserleiterwicklung integriert werden. Die mechanische Festigkeit wird durch diese Kühlrohre nicht beeinflusst. Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen 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 Wickel form entfernt werden können. Da der sonst für den Spulenkörper erforderliche Raum voll bewickelt werden kann, kann bei der erfindungsgemässen Spule in einem bestimmten Raum eine grössere Windungszahl untergebracht werden. 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 Zusammenpressen 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. Es ist zweckmässig, die thermische Dilatation der Wicklung an diejenige eines Trägerkörpers anzupassen. Wenn z.Bsp. 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.

Claims: Ansprüche 1. Supraleitende Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Faserleitern, die aus mit einer supraleitenden Schicht versehenen Fasern bestehen, hergestellt sind. 2. Supraleitende Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere tausend mit einer supraleitenden Schicht und mit einer hochleitfähigen Metallschicht versehe Fasern zu einem Bündel (8) zusammengefasst werden und dass dieses Bündel mit einer Isolationsschicht umgeben, und dass dieses in Bündel in Kunststoff getränkt, in eine Form (5, 6, 7) zu einer Spule (1) gewickelt und der Kunststoff in dieser Form ausgehärtet wird. 3. Supraleitende Wicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht aus einer Umbandelung mit Folie oder aus Umspinnung oder Umflechtung mit Glasfasern besteht. 4. Supraleitende Wicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (1) vor dem Aushärten in der Spulenform gepresst wird. 5. Supraleitende Wicklung nach Anspruch 2 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). 6. Supraleitende Wicklung nach Anspruch 2 für gepulste Magnetspulen, dadurch gekennzeichent, dass der Kunststoffanteil und die Presskraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass ein hoher Querwiderstand zwischen den Faserleitern eines Stranges vorhanden ist (Vermeidung eines Stromverdrängungseffektes). 7. Supraleitende Wicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Kühlrohre (2) mit dem Faserleiterstrang (8) in die Spulenform (5, 6, 7) gewickelt werden. 8. Supralteitende Wicklung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem gegebenen Trägerkörper (z.B. Generatorwelle) ein Fasermaterial verwendet wird, dessen thermisches Schrumpfverhal ten und damit das Schrumpfverhalten der supraleitenden Wicklung dem Schrumpfverhalten des Trägerkörpers angepasst ist.

Inventors: DUSTMANN, CORD-HEINRICH, DR. DIPL.-PHYS.
Applicants: BROWN, BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: H01F5
IPC codes: H01F6