Wechselstromleiter und -kabel

Im Fokus steht die Entwicklungen supraleitender Bänder und Kabel für Wechselstromanwendungen mit allen technisch erforderlichen Eigenschaften. Zu diesen Anwendungen gehören rotierende Maschinen, Transformatoren oder Beschleunigermagnete, die hohe Anforderungen an Stromtragfähigkeit, Effizienz und elektrische und mechanische Stabilität der Leiter stellen. Die Erhöhung der Stromtragfähigkeit und die Reduktion der Wechselstromverluste (AC-Verluste) stellt aufgrund ihrer geometrischen Eigenschaften insbesondere für Hochtemperatursupraleiter der 2. Generation, die REBCO-Bandleiter (RE-Ba-Cu-O, RE = Rare Earth Element), eine große Herausforderung dar. Gängige Methoden der Verlustreduktion und Stromerhöhung, wie z.B. die Filamentisierung und Verseilung sind aufgrund der Bandgeometrie nur schwer umsetzbar.

Mithilfe von Laserstrukturierung und speziellen Verseilmethoden entwickeln und charakterisieren wir AC-verlustarme Leiter und Kabel und optimieren diese im Hinblick auf die spätere Anwendung. Dies geschieht mit industrierelevantem Ansatz, der einen Technologietransfer an Hersteller und Anwender erlaubt.

Laserstrukturierung

Supraleiterbänder werden zur Reduktion von Wechselstromverlusten mit Filamentstrukturen versehen. Diese werden am ITEP mittels eines modernen Pikosekunden-Nd:YAG-Pulslasers hergestellt.

Technische Merkmale:

Es wird ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1030 nm eingesetzt. Dieser ist mit einer Frequenz von 400 kHz gepulst. Die Pulsdauer beträgt weniger als 10 ps. Die optimale Kombination aus Pulsleistung, Pulslänge und Laserwellenlänge minimiert den Wärmeeintrag in das Material. Die maximale Leistung des Lasers beträgt 25 W bei einer maximalen Impulsenergie von 125 µJ. Dies gestattet auch Laserschneiden. Die Strahlbreite beträgt ca. 20 µm und die Wiederholgenauigkeit einer Laserspur ist 0,5 µm. Zur Strukturierung wird eine Kombination aus Scanneroptik mit einer Geschwindigkeit von 90 m / min und beweglichem Tisch mit 22,5 m / min in einer Rolle-zu-Rolle Anordnung verwendet.

Da das System bezüglich der Strukturen frei programmierbar ist, sind komplexe Strukturbilder möglich. Außer für die Herstellung wechselstromverlustarmer Leiter wird das Lasersystem auch für andere Anwendungen genutzt. Diese sind zum Beispiel Mikro-Undulatoren oder Sondermuster zur besseren Charakterisierung von Proben.

Roebelkabel

Das Konzept des Roebelkabels oder Roebelstabes wurde bereits vor mehr als 100 Jahren von Ludwig Roebel erfunden und patentiert [1]. Es stellt ein Konzept zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Erhöhung der Leistung in Großmaschinen dar. Am Institut für Technische Physik wurde dieses Konzept im Jahr 2005 erstmals von W. Goldacker [2] angewandt, um ein voll transponiertes Kabel aus REBCO-Bandleitern herzustellen und auf diese Weise die Kopplungsverluste zu reduzieren. Seither wurden REBCO-Roebelkabel am ITEP mithilfe von Modellierungen und Experimenten grundlegend erforscht und die Herstellungsmethoden im Hinblick auf die Anforderungen verschiedener Anwendungen weiter optimiert. Ein besonderer Focus lag hierbei auf der Präzision des Stanzprozesses, der nötig ist, um kommerzielle REBCO-Bänder in die zum Verroebeln nötige meanderförmige Geometrie zu bringen. Die Herstellung von Roebelkabeln mit einer Länge von ca. 100 m wurden erfolgreich demonstriert.  Am ITEP hergestellte Roebelkabel konnten von Partnern erfolgreich in Magnetwicklungen eingesetzt werden, z. B. für die Feather-M2-Wicklung des CERN [3].

Referenzen:

[1] Patent DE277012: Leiter für elektrische Maschinen, welcher aus zwei oder mehr Gruppen von Teilleitern besteht. Angemeldet am 19. März 1912, veröffentlicht am 25. Juli 1914, Anmelder: AG Brown, Boveri & Cie., Erfinder: Ludwig Roebel.
[2] W. Goldacker et.al., Journal of Physics: Conference Series 43 (2006) 901-904.
[3] G.A. Kirby et.al., IEEE Transactions on Applied Superconductivity 27 (2017) 4003307.