DE102006009250A1

DE102006009250A1 - Sattelförmige Spulenwicklung unter Verwendung von Supraleitern und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102006009250A1
Application number: DE102006009250A
Authority: DE
Inventors: Martino Dr. Leghissa; Norbert Prölss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2006-11-02
Also published as: US7741944B2; US20090058592A1; RU2374711C2; RU2007142658A; WO2006111527A1; CN101164124A; CN101164124B; EP1872377B1; EP1872377A1; KR20080002987A; KR101282147B1

Abstract

Die sattelförmige Spulenwicklung (3) wird aus einer ebenen Spulenform vom Rennbahntyp auf eine Rohrmantelfläche (Mf) geformt, so dass sie axial verlaufende, längsseitige Wicklungsabschnitte (3a) und dazwischen verlaufende stirnseitige, Wickelköpfe bildende Wicklungsabschnitte (3b, 3c) aufweist. Die einzelnen Windungen (W¶i¶) der Spulenwicklung sollen mit wenigstens einem bandförmigen Supraleiter (5) insbesondere mit Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial gebildet werden, der mit seiner Schmalseite (5a) der Rohrmantelfläche (Mf) zugewandt ist. Zur Vermeidung unzulässiger mechanischer Belastungen des Leiters bei der Spulenformung sollen die Windungen (W¶i¶) in der Sattelform jeweils eine Umlauflänge (U) aufweisen, die praktisch unverändert gegenüber der in der ebenen Spulenform geblieben ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine sattelförmige Spulenwicklung unter Verwendung von Supraleitern auf einer Rohrmantelfläche mit axial verlaufenden, geraden Wicklungsabschnitten und dazwischen an gegenüberliegenden Stirnseiten gebogenen, Wickelköpfe bildenden Wicklungsabschnitten. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Spulenwicklung. Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Spulenwicklung ist der JP 06-196314 A zu entnehmen.
Auf dem Gebiet der Supraleitungstechnik werden sattelförmige Spulenwicklungen seit langem auf dem Gebiet der Hochenergie- und Teilchenphysik oder der elektrischen Maschinen vorgesehen. Hierbei kommen im Allgemeinen Leiter mit klassischem, metallischem Supraleitermaterial mit niedriger Sprungtemperatur T_c, so genanntes Low-T_c-Supraleitermaterial (Abkürzung: LTS-Material) zur Anwendung. Entsprechende Leiter lassen sich nämlich verhältnismäßig leicht und ohne Einbußen an ihren supraleitenden Eigenschaften in die Sattelform mit axial verlaufenden, geraden Wicklungsabschnitten und dazwischen an gegenüberliegenden Stirnseiten gebogenen, Wickelköpfe bildenden Wicklungsabschnitten biegen. Oder ihre supraleitenden Eigenschaften werden nach der so genannten „Wind-and-React"-Technik erst nach der endgütigen Formgebung der Leiter in der Wicklung ausgebildet bzw. eingestellt.

Seit Bekannt werden der oxidischen Supraleitermaterialien mit hoher Sprungtemperatur T_c, dem so genannten High-T_c-Supraleitermaterial (Abkürzung: HTS-Material), wird versucht, entsprechende Wicklungen auch mit Leitern aus diesen Materialien herzustellen. Ein entsprechender Vorschlag geht aus der eingangs genannten JP 06-196314 A hervor. Auch in der JP 2003-255032 A ist die Möglichkeit einer Verwendung solcher Leiter für sattelförmige Spulenwicklungen erwähnt. Hierbei ist jedoch das Problem gegeben, dass Leiter unter Verwendung derartiger Materialien mit hinreichender Stromtragfähigkeit bzw. kritischer Stromdichte J_c sich bisher praktisch nur in Bandform fertigen lassen, fertige Bandleiter jedoch sehr dehnungsempfindlich sind und deshalb sich wegen der Gefahr einer Einbuße an Stromtragfähigkeit bzw. kritischer Stromdichte I_c nur in sehr geringem Masse biegen lassen. Man hat deshalb in weitem Umfang auf die Herstellung von sattelförmigen Spulenwicklungen mit derartigen bandförmigen HTS-Leitern verzichtet und stattdessen so genannte „Rennbahnspulen" (englisch: „race track coils") eingeplant.

Rennbahnspulen sind flache Wicklungen, bei denen die Windungen stets innerhalb einer Wicklungsebene liegen. Stapelt man solche Rennbahnspulen aufeinander, besitzt der Stapel in Längsrichtung somit keine Öffnung (so genannte „Apertur"). In rotierenden Maschinen mit durchlaufender Welle müssen deshalb die Rennbahnspulen oberhalb und unterhalb eines zentralen Bereiches angebracht werden (vgl. z. B. DE 199 43 783 A1 ). Es ergibt sich deshalb in den axial verlaufenden, geraden Wicklungsabschnitten der Spulenwicklung ein freier, nicht durch die Wicklung besetzter Raum, der zu einer entsprechenden Reduzierung der nutzbaren Feldstärke führt. Durch den Einsatz von Sattelspulen, d.h. Spulenwicklungen mit stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen, entsteht eine Apertur. Damit ist ein effektiverer Einsatz der supraleitenden Wicklungen z. B. in rotierenden Maschinen verbunden, vorausgesetzt dass die Supraleiter ohne Einbußen bzgl. ihrer supraleitenden Eigenschaften entsprechend verformbar sind.

Flache Spulenwicklungen vom Rennbahntyp für einen HTS-Motor und die Herstellung entsprechender Spulenwicklungen sind z. B. auch in „IEEE Trans. Appl. Supercond.", Vol. 9, No. 2, Juni 1999, Seiten 1197 bis 1200 beschrieben.

Es wurden auch konisch geformte Spulenwicklungen mit bandförmigen HTS-Leitern vorgeschlagen (vgl. WO 01/08173 A1). Bei dieser Spulengeometrie ist zwar die Wicklung gewölbt; jedoch befinden sich auch hier die Leiter der einzelnen Windungen an den geraden Strecken und in den Wickelkopfbereichen jeweils innerhalb einer gemeinsamen Ebene. Die flachen Seiten der Leiter liegen dabei parallel zur Achse, welche senkrecht aus der Spulenwicklung heraustritt.

Es sind auch Versuche zur Herstellung von sattelförmigen Spulenwicklungen mit bandförmigen HTS-Leitern bekannt (vgl. „IEEE Trans. Appl. Supercond.", Vol. 9, No. 2, Juni 1999, Seiten 293 bis 296). Das dort beschriebene Wicklungsdesign ermöglicht jedoch für einen Quadrupolmagneten nur kleine Aperturen; solche Aperturen sind jedoch für Dipolwicklungen, wie sie z. B. für zweipolige Rotorwicklungen von Maschinen vorzusehen sind, nicht ausreichend.

Ein für Spulenwicklungen aus dehnungsempfindlichen Supraleitern bekanntes Herstellungsverfahren beruht darauf, dass die supraleitenden Eigenschaften der Leiter der Spulenwicklung erst nach dem Wickelvorgang in ihrer endgültigen Form ausgebildet werden (so genannte „Wind-and-React"-Technik; vgl. z. B. EP 1 471 363 A1 ). Dies erfordert jedoch in der Regel aufwendige Wickelvorrichtungen, die für eine kostengünstige Herstellung von Spulenwicklungen zum Ersatz in rotierenden Maschinen wenig geeignet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine sattelförmige Spulenwicklung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, bei der die vorstehend angesprochenen Probleme reduziert sind. Insbesondere soll auch ein Herstellungsverfahren angegeben werden, welches zur Herstellung nicht-ebener Spulenwicklungen unter Verwendung bereits fertig gestellter bandförmiger Leiter wie Hoch-T_c-Supraleiter geeignet ist, die insbesondere dehnungsempfindlich sind.

Die sich auf die sattelförmige Spulenwicklung beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll die sattelförmige Spulenwicklung aus einer ebe nen Spulenform vom Rennbahntyp auf eine Rohrmantelfläche derart geformt sein, dass sie axial verlaufende, längsseitige Wicklungsabschnitte und dazwischen verlaufende stirnseitige, Wickelköpfe bildende Wicklungsabschnitte aufweist, wobei die Windungen der Spulenwicklung

– mit wenigstens einem bandförmigen Supraleiter gebildet sind, der mit seiner Schmalseite der Rohrmantelfläche zugewandt ist,
– und in der Sattelform jeweils eine Umlauflänge aufweisen, die praktisch unverändert gegenüber der in einer ebenen Spulenform ist, so dass auf der Rohrmantelfläche der wenigstens eine bandförmige Leiter in den Windungen im Bereich der Scheitel der stirnseitigen Wicklungsabschnitte mit seiner Flachseite um einen Neigungswinkel gegenüber einer Normalen auf der Mantelfläche in Richtung auf das Wicklungszentrum der Spulenwicklung geneigt angeordnet ist, wobei der Neigungswinkel bei einer innen liegenden Windung kleiner als bei einer außen liegenden Windung ist.

Dabei wird unter einer Umlauflänge die Länge eines geschlossenen Umlaufs um 360° des Supraleiters um ein Wicklungszentrum, z. B. einen Wickelkern verstanden. Bei Verwendung eines Bandleiters definieren dabei die beiden Kanten des Bandes jeweils eine Umlauflänge. Im Falle der ebenen Wicklung sind diese beiden Umlauflängen von Natur aus gleich. Die Sattelspule ist derart gestaltet, dass beide Umlauflängen im Fall der dreidimensional geformten Spule höchstens einen Unterschied von 0,4 % (vorzugsweise 0,3 % oder noch besser 0,2 %) Längenänderung zu der Umlauflängen der ebenen Spule sowie auch relativ zueinander besitzen. Dieser Unterschied ist abhängig von dem jeweiligen Supraleiteraufbau und dessen Änderung der Supraleitungseigenschaften beim Biegen bzw. Dehnen. Er kann folglich auch noch unter dem angegebenen Wert liegen. Dabei lässt sich gewährleisten, dass auch über den ganzen Umlauf gesehen die lokale Dehnung bzw. Stauchung des Bandleiters im Vergleich zur ebenen Spule höchstens 0,4 % (vorzugsweise 0,3 % oder noch besser 0,2 %) beträgt. Dies ist notwendig, um die Stromtragfähigkeit des Bandleiters in der Sattelspule nicht zu verringern.

Die mit dieser Ausgestaltung der Spulenwicklung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass eine effektive feldmäßige Nutzung des Supraleitermaterials von bereits fertigen Bandleitern zu erreichen ist, weil die geraden Teile der Wicklung in einem Bereich liegen, in dem mehr Leistung bei gleichem mengenmäßigen Einsatz an Bandleitermaterial erreicht werden kann. Außerdem wird eine kompakte Anordnung der Wicklungen ermöglicht, so dass entsprechend kleinere Durchmesser des die Rohrmantelfläche bildenden Bereichs erreicht werden können.

Die erfindungsgemäße Spulenwicklung zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, dass ihr wenigstens einer Leiter im Bereich der stirnseitigen Wicklungsabschnitte mit seiner Flachseite gegenüber einer Normalen auf der Mantelfläche in Richtung auf das Wicklungszentrum der Spulenwicklung in besonderer Weise geneigt angeordnet ist. Mit einer derartigen Ausrichtung des Leiters kann vermieden werden, dass es bei der Formung der Wicklung zu unzulässigen Überdehnungen des Leiters kommt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Spulenwicklung gehen aus den zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform der Spulenwicklung mit den Merkmalen eines dieser Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren zugeordneten Unteransprüchen kombiniert werden.

So kann die Spulenwicklung besonders vorteilhaft mit jedem dehnungsempfindlichen bandförmigen Supraleiter ausgebildet sein. Unter einem dehnungsempfindlichen Supraleiter sei in diesem Zusammenhang jeder vorgefertigte Supraleiter verstanden, der nach seiner Herstellung beim Aufbau einer Sattelspule nach bekannten Verfahren einer Dehnung bzw. Biegung unterworfen würde, die zu einer merklichen Verschlechterung seiner supraleitenden Eigenschaften, insbesondere seiner kritischen Stromdichte I_c, um mindestens 5% gegenüber dem ungedehnten Zustand führen würde. Eine entsprechende Gefahr ist insbesondere bei den neuen oxidkeramischen Hoch-T_c-Supraleitern gegeben. Die Spulenwicklung kann deshalb bevorzugt mit wenigstens einem Hoch-T_c-Supraleiter mit BPSCCO- oder YBCO-Material ausgebildet sein.

Stattdessen kann der wenigstens eine bandförmige Supraleiter auch mit MgB₂-Supraleitermaterial ausgebildet sein.

Vorteilhaft kann der wenigstens eine bandförmige Supraleiter zum Aufbau der Spulenwicklung ein Aspektverhältnis (Breite w/Dicke d) von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5 aufweisen. Gerade mit solchen Supraleitern sind nunmehr Spulenwicklungen mit ausgeprägter Sattelform herstellbar, ohne dass eine Beeinträchtigung ihrer supraleitenden Eigenschaften zu befürchten ist.

Von der rohrförmigen Mantelfläche kann ein Rohr mit einem kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt, insbesondere eine Zylindermantelfläche (konkret oder fiktiv) gebildet werden.

Dabei kann die Rohrmantelfläche von einem die Wicklung tragenden rohrförmigen Körper gebildet sein. Stattdessen kann die Spulenwicklung auch selbsttragend ausgebildet sein. In letzterem Falle handelt es sich bei der Rohrmantelfläche also nur um eine fiktive, gedachte Fläche.

Gegebenenfalls kann von der rohrförmigen Mantelfläche auch ein Rohr mit einer gekrümmten Achse (konkret oder fiktiv) gebildet werden, ohne dass es zu unzulässigen Überdehnungen des Leiters zu kommen braucht. D.h., die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind nicht auf Sattelspulenwicklungen mit geraden seitlichen Wicklungsabschnitten beschränkt.

Im Hinblick auf eine Vermeidung unzulässiger Dehnungen/Biegungen des Supraleiters wird vorteilhaft vorgesehen, dass sich die jeweilige Umlauflänge in der Sattelform von der in der ebenen Spulenform um höchstens 0,4 %, vorzugsweise um höchstens 0,3 % unterscheidet. Unterhalb dieses Wertes ist eine Degradation bzgl. der Supraleitungseigenschaften des Leiters nicht zu befürchten.

Im Allgemeinen weist die Spulenwicklung eine radiale Höhe auf die mindestens 10 % des Rohrdurchmessers auf, um eine ausgeprägte Sattelform zu besitzen. Vorzugsweise beträgt die radiale Höhe mindestens 30 % des Rohrdurchmessers.

Bevorzugt kann die Spulenwicklung in einer rotierenden Maschine oder in einem Magneten eines Beschleunigers wie einem Gantry-Beschleunigermagneten angeordnet sein oder einen Teil dieser Vorrichtung bilden. Gerade für diese Vorrichtungen werden nämlich Wicklungen mit ausgeprägter Sattelform gefordert.

Die sich auf die Herstellung der Spulenwicklung beziehende Aufgabe wird mit den aus Anspruch 16 zu entnehmenden Maßnahmen gelöst. Demgemäß sollen die folgenden Schritte vorgesehen werden, nämlich

– Ausbildung der ebenen Spulenform aus dem wenigstens einen vorgefertigten bandförmigen Supraleiter,
– Verformung auf die rohrförmige Mantelfläche einer Biegevorrichtung zu der Sattelform mittels Pressens,
– Fixierung der Windungen in der Sattelform.

Das angegebene Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Wickelns einer flachen Spulenwicklung und anschließenden Formens zu einer Sattelspulenwicklung ist mit den Vorteilen verbunden, dass die ebene Wickeltechnik auf einfache Weise durchführbar ist. Entsprechende Wickelmaschinen benötigen nur eine Drehachse. Demgegenüber wären bei einer direkten Erstellung von gebogenen Sattelspulenwicklungen aufwendigere Wickelmaschinen mit mindestens zwei Drehachsen notwendig. Das Verfahren ermöglicht deshalb eine kostengünstige Wicklungsfertigung.

Vorteilhaft kann das Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Spulenwicklung zusätzlich noch folgendermaßen ausgestaltet sein:
So können bei der Ausbildung der ebenen Spulenform im Bereich der stirnseitigen Wicklungsabschnitte zwischen benachbarten Windungen Abstände vorgesehen werden derart, dass bei der und nach der Verformung jeweils die praktisch unveränderte Umlauflänge der einzelnen Windungen gegeben ist.

Außerdem können für die Ausbildung der ebenen Spulenform zur Beabstandung der benachbarten Windungen Abstandshalter eingebracht werden, die vor dem Verformungsschritt wieder entfernt werden. Durch die Verwendung von Abstandshaltern bei der Ausbildung der ebenen Spulenform können die Umlauflängen der einzelnen Windungen so eingestellt werden, dass deren Änderung bei der Verformung zur Sattelspulen die oben angegebenen Grenzwerte nicht überschreiten.

Zur Fixierung werden die Windungen zweckmäßig vergossen oder verklebt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert, in der bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Spulenwicklungen bzw. einer Vorrichtung zu ihrer Herstellung angedeutet sind. Dabei zeigen jeweils in leicht schematisierter Form
deren 1 in Schrägansicht eine Rennbahnspulenwicklung als Ausgangsform erfindungsgemäßer Sattelspulenwicklungen,
deren 2 in Schrägansicht eine Anordnung mit zwei Sattelspulenwicklungen in ihrer Endform,
deren 3 und 4 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sattelspulenwicklung in Querschnitts- bzw. Längsansicht,
deren 5 und 6 in den 3 und 4 entsprechender Darstellung eine weitere Ausführungsform einer solchen Spulenwicklung,
deren 7 einen Wickelkopf der in der 4 angedeuteten Sattelspulenwicklung in vergrößerter Ansicht,
deren 8 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Verkippungswinkels von Leitern am Wickelkopf gemäß 7 von dem Polwinkel
sowie
deren 9 und 10 eine Biegevorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sattelspulenwicklung in Aufsicht bzw. im Querschnitt.
Dabei sind sich entsprechende Teile in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Erfindungsgemäß soll bei der Herstellung einer sattelförmigen Spulenwicklung von einer ebenen bzw. flachen Spulenform vom Rennbahntyp ausgegangen werden. Entsprechende Spulenformen sind allgemein bekannt (vgl. z. B. DE 199 43 783 A1 ); ein Ausführungsbeispiel zeigt 1. Die dort mit 2' bezeichnete Spulenwicklung hat gegenüberliegende längsseitige Wicklungsabschnitte 2a' und 2d' sowie dazwischen verlaufende stirnseitige, gebogene Wicklungsabschnitte 2b' und 2c'. Die Wicklung 2' soll mit einem oder mehreren bandförmigen Supraleitern erstellt sein. Zur Ausbildung der Spulenwicklung wird der jeweilige bandförmige Leiter hochkant, d.h. mit seiner Schmalseite zur Wicklungsebene um ein Wickel- bzw. Wicklungszentrum Z, beispielsweise um einen zentralen Wickelkern, gewickelt. Eine Umlauflänge des Leiters innerhalb einer beliebigen Windung einmal um 360° um das Zentrum Z herum bzw. einmal durch jeden der beiden längsseitigen Wicklungsabschnitte 2a', 2d' und der stirnseitigen Wicklungsabschnitte 2b', 2c' verlaufend soll in der Figur durch eine mit U bezeichnete gestrichelte Linie angedeutet sein. Bei Verwendung eines Bandleiters definieren dabei die beiden Kanten des Bandes jeweils eine Umlauflänge U1 bzw. U2. Im Falle der ebenen Wicklung sind diese beiden Umlauflängen von Natur aus gleich.
Im Folgenden wird zur Vereinfachung nur von der Umlauflänge U gesprochen, wobei aber stets die Umlauflängen U1 und U2 der Kanten gemeint sind.
Als Leitermaterial kommen prinzipiell alle Supraleitermaterialien in Frage, insbesondere solche, die dehnungsempfindlich sind. So kann z. B. der wenigstens eine bandförmige Supraleiter mit MgB₂-Supraleitermaterial ausgebildet sein. Für das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist eines der bekannten HTS-Materialien ausgewählt. Die Wicklung 2' ist deshalb mit einem oder mehreren bandförmigen HTS-Leitern ausgebildet, insbesondere vom (BiPb)₂Sr₂Ca₂CuO_x-Typ (Abkürzung: BPSCCO) oder vom YBa₂Cu₃O_x-Typ (Abkürzung: YBCO). Die HTS-Leiter haben dabei eine Breite w, die typisch größer 3 mm beträgt und meistens zwischen 3 und 5 mm liegt. Ihre Dicke d ist dabei sehr viel kleiner als die Breite w und liegt typisch unter 0,5 mm. Bevorzugt werden HTS-Leiter mit einem Aspektverhältnis (Breite w/Dicke d) von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5, verwendet.
Ausgehend von der ebenen Spulenform ist die erfindungsgemäße Sattelspulenwicklung nun so gestaltet, dass beide Umlauflängen U1 und U2 im Fall der dreidimensionalen Spulenwicklungsform höchstens einen Unterschied von 0,4 %, vorzugsweise 0,3 % oder noch besser 0,2 %, Längenänderung zu der Umlauflängen der ebenen Spule sowie auch relativ zueinander besitzen. Dieser Unterschied ist abhängig von dem jeweiligen Supraleiteraufbau und dessen Änderung der Supraleitungseigenschaften beim Biegen bzw. Dehnen. Er kann folglich auch noch unter dem angegebenen Wert liegen. Dabei lässt sich gewährleisten, dass auch über den ganzen Umlauf gesehen die lokale Dehnung bzw. Stauchung des Bandleiters im Vergleich zur ebenen Spule höchstens 0,4 %, vorzugsweise 0,3 % oder noch besser 0,2 % beträgt. Da erfindungsgemäß die Umlauflänge U des Leiters in den einzelnen Windungen gegenüber der aus der ebenen Rennbahnspulenwicklung zu formenden Sattelspulenwicklung praktisch unverändert bleiben soll, bedeutet dies eine konkrete Vorgabe der einzelnen Umlauflängen U für die Rennbahnspulenwicklung. D.h., dass bei der erfindungsgemäßen Spulenwicklung die konkret zu wählenden Umlauflängen für den oder die Leiter in den einzelnen Windungen durch die entsprechende Länge der jeweiligen Windung in der Sattelform vorgegeben ist und davon abhängig die Umlauflänge für die einzelnen Windungen in der ebenen Rennbahnspulenform festgelegt ist. Das hat zur Folge, dass in der Rennbahnspulenform die Leiterwindungen im Bereich der stirnseitigen Wicklungsabschnitte 2b', 2c' verhältnismäßig locker nebeneinander liegen müssen, also nicht starr miteinander verbunden sein dürfen.
Bei der in 2 gezeigten Anordnung mit zwei Sattelspulen 2 und 3 wird von bekannten Ausführungsformen von Dipolmagneten ausgegangen, wie sie z. B. für Strahlführungsmagnete in Beschleunigeranlagen der Hochenergiephysik zum Einsatz kommen. Eine entsprechende Anordnung ist auch für einen Rotor einer elektrischen Maschine von Vorteil. Die einzelnen sattelförmigen Spulenwicklungen befinden sich dabei auf einer Zylindermantelfläche Mf, die beispielsweise durch einen Hohlzylinder 4 gebildet wird. Falls auf einen derartigen Hohlzylinder als Träger für die Spulenwicklungen verzichtet werden kann, ist die Mantelfläche Mf als nur „gedachte Mantelfläche" anzusehen. Jede der Spulenwicklungen 2 und 3 weist dabei in Richtung der Hohlzylinderachse A verlaufende, gerade Wicklungsabschnitte 2a, 2d (nicht sichtbar) bzw. 3a, 3d (nicht sichtbar) sowie gebogene, Wickelköpfe bildende Wicklungsabschnitte 2b, 2c bzw. 3b, 3c an gegenüberliegenden Stirnseiten.
Nachfolgend werden Größen von Ausführungsformen solcher Sattelspulenwicklungen zugrunde gelegt, die aus den 3 bis 7 hervorgehen. Gemäß den 3 und 4 enthält z. B. die ausgewählte Spulenwicklung 3 gerade Spulenabschnitte 3a der axialen Länge G und dreidimensional gebogene Wickelköpfe in stirnseitigen Wicklungsabschnitten 3b und 3c jeweils der axialen Länge L. Die Spulenwicklung befindet sich dabei auf einer Zylindermantelfläche Mf des Durchmessers D. Dabei unterscheiden sich die Ausführungsformen nach den Figurenpaaren 3, 4 und 5, 6 im Wesentlichen durch die Höhe h der sattelförmigen Spulenwicklung 3. Die Größe h stellt dabei den maximalen Wert dar, um den sich die Wickelköpfe aus der Ebene der ursprünglichen Rennbahnspulenwicklung bzw. aus der Ebene der längsseitigen Wicklungsteile vor und nach der Ausbildung der Sattelform erheben. Dieser Wert sollte im Allgemeinen mindestens 10 % des Durchmessers D des Rohres mit der Rohrmantelfläche Mf ausmachen und kann beispielsweise mindestens 40 dieser Größe betragen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4 ist h ≈ ½·D; d.h., die Wicklung liegt mit ihrer äußersten Windungen W_i in der Mitte, d.h. am Äquator der Zylinderfläche. Demgegenüber ist gemäß den 5 und 6 die Zylindermantelfläche Mf mit den Leitern mit 13 bezeichneten Sattelspulenwicklung nur soweit bewickelt, dass ihre äußersten Windungen W_i oberhalb der Äquatorebene des Zylinders liegen. Hier ist demnach die radiale Wicklungshöhe h kleiner als D/2. Bevorzugt sollte eine radiale Höhe h von mindestens 10 % des Rohrdurchmessers D gewählt werden.
In dem Ausschnitt zu den beiden Figurenpaaren 3, 4 und 5, 6 ist der bandförmige HTS-Leiter mit 5 bezeichnet. Mit ihm ist die jeweilige Sattelspulenwicklung so erstellt, dass seine Schmalseite 5a der Zylindermantelfläche Mf zugewandt ist (vgl. insbesondere die 3 und 5).
Wie aus den 3 bis 6 ferner hervorgeht, stehen die einzelnen HTS-Leiter im Scheitelpunkt der stirnseitigen Wicklungsabschnitte 3b, 3c bzw. der Wickelköpfe nicht exakt senkrecht auf der Zylindermantelfläche Mf, sondern sind gegenüber der Normalen N auf dieser Fläche um einen Neigungswinkel β nach innen auf das Wickelzentrum Z zu geneigt. Dies ist eine Folge der erfindungsgemäßen Ausbildung der Spulenwicklung.
Der gezeigten Spulengeometrie sei ein rechtwinkliges x-y-z-Koordinatensystem zugeordnet, wobei die x-Achse in der Äquatorialebene, die y-Achse senkrecht dazu und die z-Achse in axialer Richtung der Zylindermantelfläche gerichtet sind (vgl. 3 und 4).
Nachfolgend werden nähere Ausführungen zu einer mathematischen Beschreibung einer entsprechenden Spulengeometrie gegeben:
Die Form der Wickelköpfe ist dadurch gegeben, dass die dreidimensionale Raumkurve des Bandleiters dadurch definiert ist, dass eine Halbellipse (allgemeiner Fall) bzw. ein Halbkreis (spezieller Fall einer Halbellipse mit zwei gleichen Halbachsen) auf die Zylinderoberfläche des Durchmessers D abgerollt wird. Die Halbellipse ist genau die Form des Wickelkopfs der ebenen Spule vor dem Biegen. Dadurch wird die Einhaltung der Umlauflängen gewährleistet.
Für einen Leiter, der in den geraden Teilen um einen Winkel Θ vom Pol (Richtung der y-Achse) entfernt ist, beträgt die erste Halbachse der Ellipse
die zweite Halbachse sei b = L_i (im Spezialfall des Halbkreises gilt a = b, d.h. L_i = Θ·D_i/2). Im Allgemeinfall kann dies in Form von
ausgedrückt werden, wobei der Faktor e das Verhältnis der beiden Halbachsen beschreibt. Dies gilt für die innere Kante des Leiters (Index „i"), die sich auf dem Zylinderdurchmesser D_i befindet. Die Leiterlänge für die Innenkante beträgt damit näherungsweise
Die äußere Kante des gleichen Bandleiters (Index „a") befindet sich an den geraden Stücken auf dem Zylinderdurchmesser Da ≈ Di + 2w, (Gleichung 4)wobei w die Breite des Bandleiters ist.
Dieser größere Zylinderdurchmesser entspricht einer ersten Halbachse von
Bei gleicher zweiter Halbachse (b_a = b_i) würde dies zu einem längeren Weg der äußeren Kante gegenüber der inneren Kante führen, d.h. der Bandleiter würde unzulässig überdehnt werden. Die unzulässige Dehnung wird vermieden, indem im Wickelkopf der Bandleiter um einen Winkel β nach innen hin auf das Wicklungszentrum Z verkippt bzw. geneigt wird. Dies verkürzt die zweite Halbachse auf ba = La = bi – w·sinβ (Gleichung 6)
Der Verkippungs- oder Neigungswinkel β stellt sich dabei so ein, dass die Außenkante annähernd keine Längung gegenüber der Innenkante erfährt.
Unter Vernachlässigung der Biege- und Torsionssteifigkeiten beträgt der dafür berechnete Verkippungswinkel
Dies hat zur Folge, dass sich der Verkippungs- oder Neigungswinkel β an den stirnseitigen Wickelköpfen von Windung zu Windung ändert, und zwar vom Zentrum Z der Windung nach außen hin leicht zunehmend. Aus 7 ist dieser Sachverhalt ersichtlich, in dieser Figur ist ein Ausschnitt eines stirnseitigen Wicklungsabschnittes bzw. Wickelkopfes 3b der in 4 gezeigten Wicklung 3 ersichtlich. Aus zeichnerischen Gründen ist wie in 4 die Anzahl der dargestellten Leiter windungen W_j (mit j = 1 ...4) auf die Zahl „4" beschränkt, wobei die innerste Leiterwindung mit W₁ und die äußerste mit W₄ bezeichnet sind. Im Scheitelpunkt des stirnseitigen Wicklungsabschnittes 3b ist dabei der Neigungswinkel β₁ der inneren Leiterwindung W₁ kleiner als der Neigungswinkel β₄ der äußeren Leiterwindung W₄.
Die Verkippung des Bandleiters wird nun dadurch erreicht, dass der Leiter im Wickelkopf entlang seiner Längsachse torodiert wird. Diese Torsion tritt neben der Biegung als zusätzliche mechanische Belastung des Leiters auf.
Die Biege- und Torsionssteifigkeiten bekannter HTS-Bandleiter können mit Hilfe eines Korrekturfaktors k ≈ 0,5 bis 1,5 – vorzugsweise k ≈ 0,5 bis 1,0 – berücksichtigt werden. Der berechnete Verkippungswinkel beträgt dann
Die 8 zeigt in einem Diagramm mit Gleichung 8 berechnete Verkippungswinkel β_theo und den an verschiedenen Sattelspulenwicklungen gemessenen Verkippungswinkel β jeweils in Abhängigkeit von dem Polwinkel Θ. Dabei liegt der durchgezogenen Linie I die Berechnung mit einem Korrekturfaktor k = 1, der gestrichelten Linie II die Berechnung mit einem Korrekturfaktor k = 0,7 und der strichpunktierten Linie III die Berechnung mit einem Korrekturfaktor k = 0,5 zugrunde. Die Messwerte sind als quadratische Punkte
eingetragen.
Die geometrische Auslegung der Spulenwicklung (Zylinderdurchmesser D, Polwinkel Θ für die Windungen, Halbachsenverhältnis e) erfolgt dabei so, dass die jeweils leiterspezifischen Grenzbelastungen

• kritischer Krümmungsradius R_c bzw. Krümmungsdehnung ε_cR
• kritische Torsion θ_c bzw. Torsionsdehnung ε_cθ nicht überschritten werden. Als Beispiele sollen folgende Grenzbelastungen für einen kommerziellen BPSCCO-Leiter gelten:
• kritische Biegebelastung: R_c ≈ 3 cm bzw. ε_c ≈ 0,4
• kritische Torsionsbelastung: θ_c ≈ 2500°/m bzw. ε_cθ ≈ 0,2 %.

Unter Zugrundelegung einer entsprechenden Spulengeometrie weist eine sattelförmige Spulenwicklung nach der Erfindung folgende charakteristische Eigenschaften auf:

• Die dreidimensionale Krümmung der Wickelköpfe wird durch Biegung der Bandleiter für die flache Kante (so genannte „gute" Biegerichtung) und Torsion des Leiters entlang der Leiterachse erzielt.
• Die lokal auftretenden Biegeradien und Torsionen liegen innerhalb der kritischen Belastungsgrenzen, ab denen eine irreversible Schädigung der supraleitenden Eigenschaften auftritt.
• Alle Windungen W_i der Spulenwicklung liegen in den Wickelköpfen oberhalb einer gewissen Mindesthöhe h, wodurch eine große Apertur erreicht wird. Die Höhe h hängt von dem Bewicklungsgrad der Spulenwicklung ab (siehe Unterschiede zwischen den Figurenpaaren 3, 4 und 5, 6).
• In den geraden Abschnitten der Wicklung liegen die flachen Seiten der Bandleiter annähernd in radialer Richtung mit Bezug auf die zylindrische Form der Spulenwicklung.
• In den Wickelköpfen besitzen die Bandleiter eine gewisse Neigung um einen Winkel β nach innen (siehe 3 bis 7). Diese Neigung variiert für die unterschiedlichen Windungen. Durch diese Neigung wird erreicht, dass die „äußere Kante" des Bandleiters gegenüber den „inneren Kante" des Bandleiters keine unzulässige Dehnung erfährt, welche wiederum zu einer irreversiblen Schädigung der supralei tenden Eigenschaften führen würde.
• Auf ihrem Weg über den Wickelkopf beschreiben die HTS-Bänder der einzelnen Windungen eine dreidimensionale Raumkurve. Für die innere Kante ist diese dreidimensionale Raumkurve dadurch definiert, dass eine Halbellipse (allgemeiner Fall) bzw. ein Halbkreis (spezieller Fall) auf die Zylinderoberfläche abgerollt wird.

Zur Herstellung der oben beschriebenen Sattelspulenwicklung kann vorteilhaft folgendes Verfahren mit den einzelnen Verfahrensschritten 1. bis 5. angewandt werden:

1. In einem ersten Schritt wird zunächst eine ebene Rennbahnspulenwicklung gewickelt. Der Wickelprozess wird „trocken", d.h. ohne Zugabe von Vergussmaterial, durchgeführt. In den Wickelköpfen können dabei zwischen den Windungen je nach Bedarf Abstandshalter (z. B. biegsame Folien) mit einer Dicke A eingebracht werden. Aufgabe dieser Abstandshalter ist die Zunahme der Drahtlänge von einer Windung zur nächsten gezielt einzustellen. Befindet sich eine innere erste Windung auf dem Radius R, so beträgt die Leiterlänge in einem 90° Bogen L₁ = π·R. Wickelt man nun auf diese erste Windung eine zweite Windung darauf und legt einen Abstandshalter der Dicke D ein, so beträgt die Länge der zweiten Windung nun L₂ = π·(R + Δ + d). Die Längenänderung zwischen den Windungen beträgt damit L₂ – L₁ = π (Δ + d). Bei gegebener Dicke d der Bandleiter erlauben damit die Abstandshalter die gezielte Einstellung der Längenänderung.
2. Die Spulenwicklung wird in einem zweiten Schritt aus der Wickelmaschine entnommen und in eine Biegevorrichtung eingesetzt. Die Biegevorrichtung geht aus den 9 und 10 hervor und ist allgemein mit 7 bezeichnet. Sie weist einen Biegezylinder 8 mit einem Polstück 9 auf, auf dem zunächst die flache Spulenwicklung 2' aufgesetzt wird, sowie an die Form der Mantelfläche Mf des Biegezylinders angepasste Pressstücke 11, 12 zum Formen der Spulenwicklung 2. Vor dem Biegen werden zunächst die Abstandshalter aus den Wickelköpfen entfernt.
3. In einem dritten Schritt werden nun die Presswerkzeuge auf die flache Spulenwicklung 2' abgesenkt. Die Presswerkzeuge verformen nun die anfänglich flache Spulenwicklung und drücken diese unter Anwendung von Biegekräften K auf die Oberfläche des Biegezylinders. Dadurch erreicht man die gewünschte Spulengeometrie in Sattelform.
4. In einem vierten Schritt muss die Spulenwicklung nun in ihrer gebogenen Form fixiert werden. Dies kann zum Beispiel durch Verguss der Spulenwicklung geschehen. Um ein Verkleben der Spulenwicklung in der Biegevorrichtung zu verhindern, besteht die Oberfläche der Biegevorrichtung z. B. aus Teflon, welches sich nicht mit Vergussmaterialien verbindet. Die Fixierung der Spulenwicklung könnte alternativ auch durch geeignet geformte Hilfswerkzeuge geschehen, die z. B. an die Spulenwicklung angeklemmt oder geklebt werden. Damit könnte z. B. ein Verguss später außerhalb der Biegevorrichtung durchgeführt werden.
5. Die Spulenwicklung kann schließlich aus der Biegevorrichtung entfernt werden.

Bei einer nach diesem Verfahren mit bekanntem BPSCCO-Bandleitermaterial von der flachen Scheibenspulenwicklung bis hin zur fertig vergossenen und aus der Biegevorrichtung entnommenen Sattelspulenwicklung konnte keine Schädigung des Leiters festgestellt werden.
Ebenso gut kann nach diesem Verfahren eine erfindungsgemäße sattelförmige Spulenwicklung auch mit beschichteten YBCO-Leitern hergestellt werden. Es ist auch möglich, dass die Technologie auf zusammengesetzte Verbundleiter, insbesondere vom Röbelleitertyp, angewandt wird, falls größere Spulenwicklungen erforderlich sind.
Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass sich die erfindungsgemäße Sattelspulenwicklung auf einer gegebenenfalls nur gedachten Mantelfläche Mf eines lang gestreckten Hohlzylinders wie z. B. des Rotors einer elektrischen Maschine wie eines Motors oder Generators befindet. Auch kann es sich um die Mantelfläche eines Magneten z. B. der Hochenergiephysik handelt. Die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sattelspulenwicklung und deren Herstellungsverfahren sind jedoch nicht unbedingt auf eine entsprechende Form der Mantelfläche beschränkt. So sind auch von der exakten Kreisform des Querschnitts eines Hohlzylinders abweichende Querschnittsformen wie z. B. eine mehr elliptische Querschnittsform ebenso gut möglich, ohne dass es zu einer unzulässigen Überdehnung der Supraleiter kommen muss. Auch ein gerader Verlauf der Achse A des Rohres mit der Mantelfläche Mf ist nicht zwingend einzuhalten. Es ist nämlich auch eine Rohrform mit gekrümmter Achse bekannt, die mit Sattelspulenwicklungen versehen sein können, die erfindungsgemäß ausgeführt sein können. So kommen bei bestimmten Beschleunigermagneten, z. B. Magneten für so genannte „Gantrys" von Beschleunigern zur Krebstherapie, gekrümmte Spulenwicklungen zum Einsatz. In diesem Fall sind die längsseitigen, für die vorstehenden Ausführungsbeispiele gerade angenommenen Wicklungsabschnitte in der Spulenebene gebogen, damit der Teilchenstrahl auf einer Kreisbahn laufen kann. D.h., die Achse A der rohrförmigen Mantelfläche, welche mit der Sattelspulenwicklung belegt ist, kann gegebenenfalls auch gekrümmt sein.

Claims

Sattelförmige Spulenwicklung (2, 3, 13), die aus einer ebenen Spulenform (2') vom Rennbahntyp auf eine Rohrmantelfläche (Mf) geformt ist, so dass sie axial verlaufende, längsseitige Wicklungsabschnitte (2a, 2d; 3a, 3d) und dazwischen verlaufende stirnseitige, Wickelköpfe bildende Wicklungsabschnitte (2b, 2c; 3b, 3c) aufweist, wobei die Windungen (W_i) der Spulenwicklung – mit wenigstens einem bandförmigen Supraleiter (5) gebildet sind, der mit seiner Schmalseite (5a) der Rohrmantelfläche (Mf) zugewandt ist, – und in der Sattelform jeweils eine Umlauflänge aufweisen, die praktisch unverändert gegenüber der in einer ebenen Spulenform (2') ist, so dass auf der Rohrmantelfläche (Mf) der wenigstens eine bandförmige Leiter (5) in den Windungen (W_i) im Bereich der Scheitel der stirnseitigen Wicklungsabschnitte (2b, 2c; 3b, 3c) mit seiner Flachseite um einen Neigungswinkel (β) gegenüber einer Normalen (N) auf der Mantelfläche (Mf) in Richtung auf das Wicklungszentrum (Z) der Spulenwicklung geneigt angeordnet ist, wobei der Neigungswinkel (β₁) bei einer innen liegenden Windung (W₁) kleiner als bei einer außen liegenden Windung (W₄) ist.
Spulenwicklung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausbildung mit wenigstens einem dehnungsempfindlichen bandförmigen Supraleiter (5).
Spulenwicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bandförmige Supraleiter (5) mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial ausgebildet ist.
Spulenwicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Hoch-T_c-Supraleiter (5) mit BPSCCO- oder YBCO-Material ausgebildet ist.
Spulenwicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bandförmige Supraleiter (5) mit MgB₂-Supraleitermaterial ausgebildet ist.
Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen bandförmigen Supraleiter (5) mit einem Aspektverhältnis (Breite w/Dicke d) von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5.
Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der rohrförmigen Mantelfläche (Mf) ein Rohr mit einem kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt gebildet ist.
Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrmantelfläche (Mf) eine Zylindermantelfläche ist.
Spulenwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der rohrförmigen Mantelfläche (Mf) ein Rohr mit einer gekrümmte Achse gebildet ist.
Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrmantelfläche (Mf) von einem die Wicklung tragenden rohrförmigen Körper gebildet ist.
Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweilige Umlauflänge (U) in der Sattelform von der in der ebenen Spulenform um höchstens 0,4 %, vorzugsweise um höchstens 0,3 % unterscheidet.
Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine radiale Höhe (h), die mindestens 10 % des Rohrdurchmessers (D) beträgt.
Spulenwicklung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine radiale Höhe (h), die mindestens 30 % des Rohrdurchmessers (D) beträgt.
Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung in einer rotierenden Maschine oder in einem Magneten eines Beschleuniger wie einem Gantry-Beschleunigermagneten.
Verfahren zur Herstellung einer Spulenwicklung nach einer der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte, nämlich – Ausbildung der ebenen Spulenform (2') aus dem wenigstens einen vorgefertigten bandförmigen Supraleiter (5), – Verformung auf die rohrförmige Mantelfläche (Mf) einer Biegevorrichtung (7) zu der Sattelform mittels Pressens, – Fixierung der Windungen (W_i) in der Sattelform.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung der ebenen Spulenform (2') im Bereich der stirnseitigen Wicklungsabschnitte (2b', 2c') zwischen benachbarten Windungen Abstände vorgesehen werden derart, dass bei der und nach der Verformung die praktisch unveränderte Umlauflänge (U) der einzelnen Windungen (W_i) gegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung der ebenen Spulenform zur Beabstandung der benachbarten Windungen (W_i) Abstandshalter eingebracht werden, die vor dem Verformungsschritt wieder entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung die Windungen (W_i) vergossen oder verklebt werden.