-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Spule mit einer Spulenwicklung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Spule mit einer Spulenwicklung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
-
Supraleitende Materialien und aus supraleitenden Materialien hergestellte Spulen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Supraleitende Spulen werden beispielsweise für Polwicklungen von Maschinenrotoren eingesetzt.
-
Supraleitende Materialien verlieren unterhalb einer Sprungtemperatur ihren elektrischen Widerstand. Hochtemperatur-Supraleiter weisen eine besonders hohe Sprungtemperatur auf. Herkömmlicherweise werden für technische Anwendungen meist Hochtemperatur-Supraleiter der ersten Generation (1G-HTS, BSCCO-PIT-Leiter) eingesetzt. Hochtemperatur-Supraleiter der ersten Generation sind mechanisch unproblematisch handhabbar. Bei Hochtemperatur-Supraleitern der zweiten Generation (2G-HTS, YBCO-Coated Conductors) hat sich jedoch gezeigt, dass die Handhabung schwieriger ist.
-
Bei Hochtemperatur-Supraleitern der zweiten Generation ist eine Supraleiter-Keramik als dünne Schicht auf einem Substratband aufgebracht. Der Verbund aus Substratband, Supraleiterschicht, einem Stabilisierungsmaterial und eventuell einer Isolationsschicht wird als Bandleiter bezeichnet. Aus einem solchen Bandleiter kann eine Spule hergestellt werden, indem der Bandleiter um einen Wicklungsträger gewickelt, mit Epoxidharz imprägniert und damit verklebt wird.
-
Es hat sich jedoch gezeigt, dass beim Abkühlen einer solchen Spule auf ihre Betriebstemperatur, die beispielsweise 30 Kelvin betragen kann, Unterschiede in den thermischen Kontraktionen des Bandleiters und des Wicklungsträgers mechanische Spannungen verursachen können. Weist der Wicklungsträger eine höhere thermische Kontraktion als der Bandleiter auf, so entsteht in der Wicklung nahe des Wicklungsträgers eine Zugspannung in radialer Richtung der Spule, die mit einer Kompression des Bandleiters in Längsrichtung einhergeht. Dieses Problem kann auch auftreten, wenn der Wicklungsträger thermisch besser an eine Kühlvorrichtung angekoppelt ist als die Spulenwicklung und daher beim Abkühlen schneller erkaltet als der Bandleiter.
-
Experimente haben gezeigt, dass die auftretenden Beanspruchungen bei Hochtemperatur-Supraleitern der zweiten Generation eine starke Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften (Degradation) verursachen. Dabei nimmt der maximale Betriebsstrom des Hochtemperatur-Supraleiters um 25% bis 60% oder noch mehr ab. Auch eine Delamination des Bandleiters kann auftreten. Daher sind Hochtemperatur-Supraleiter der zweiten Generation für nach bisherigen Wickelverfahren hergestellte Hochtemperatur-Supraleiter-Spulen ungeeignet.
-
Bei einem konventionellen Verfahren zum Herstellen einer Hochtemperatur-Supraleiter-Spule wird der das Supraleitermaterial aufweisende Bandleiter mit einem festgelegten Wickelzug um den Wicklungsträger aufgewickelt und anschließend imprägniert, wobei die Wicklungen der Spulenwicklung untereinander und mit dem Wicklungsträger verklebt werden.
-
1 zeigt in schematischer Darstellung einen ersten Druckverlauf 100 in einer kreisförmigen Spulenwicklung einer Hochtemperatur-Supraleiter-Spule. Bei dieser Spule weist der Wicklungsträger eine höhere thermische Kontraktion als die Spulenwicklung auf, zieht sich bei Abkühlung also stärker zusammen.
-
Auf einer horizontalen Achse 110 ist eine radiale Position in der Spulenwicklung in Millimetern dargestellt. Auf einer vertikalen Achse 120 ist ein in der Spulenwicklung herrschender Druck in bar aufgetragen. Ein positiver Druck gibt dabei einen radialen Druck an, während ein negativer Druck einen radialen Zug bedeutet, der dazu führt, dass innen liegende Lagen der Spulenwicklung in Richtung des Wicklungsträgers gezogen und dadurch in Längsrichtung gestaucht werden. Diese Stauchung kann eine Degradation der supraleitenden Eigenschaften zur Folge haben.
-
Erste Datenpunkte 130 geben einen Druckverlauf in der Spulenwicklung vor dem Abkühlen der Spulenwicklung an. Zweite Messwerte 140 geben den Druckverlauf in der Spulenwicklung nach dem Abkühlen der Spulenwicklung auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter-Spule an. Erkennbar ist, dass der Druck innerhalb der Spulenwicklung vor dem Abkühlen der Spule zum Zentrum der Spulenwicklung hin zunimmt. Hier findet keine radiale Zugbelastung der Lagen der Spulenwicklung statt und der Bandleiter der Spulenwicklung wird nicht gestaucht.
-
Nach dem Abkühlen der Spulenwicklung nimmt der Druckverlauf jedoch innerhalb der Spulenwicklung zum Zentrum der Spulenwicklung hin ab und erreicht dabei negative Werte. Durch das Abkühlen der Spulenwicklung und die damit verbundene thermische Kontraktion des Wicklungsträgers baut sich somit eine radiale Zugbelastung innerhalb der Spulenwicklung auf, die zu einer Stauchung des Bandleiters der Spulenwicklung in Längsrichtung und einer damit einhergehenden Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften der Spulenwicklung führen kann.
-
Durch die radiale Zugbelastung kann auch eine Delaminierung des Bandleiters verursacht werden, die ebenfalls zur Degradation der supraleitenden Eigenschaften der Spulenwicklung führt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Spule mit einer Spulenwicklung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Spule mit einer Spulenwicklung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Spule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Spule mit einer Spulenwicklung umfasst Verfahrensschritte zum Bereitstellen eines Bandleiters mit einem bandförmigen Substratband und einer auf dem Substratband angeordneten Supraleiterschicht, zum Bereitstellen eines ersten Wicklungsträgers und zum Wickeln des Bandleiters um den ersten Wicklungsträger, um eine Spulenwicklung zu erhalten. Dabei wird die Spule derart hergestellt, dass sowohl bei Raumtemperatur als auch bei einer Betriebstemperatur der Spule ein positiver radialer Druck zwischen den Lagen der Spulenwicklung besteht. Vorteilhafterweise führt bei einer nach diesem Verfahren hergestellten Spule ein Abkühlen der Spule und eine dadurch bedingte thermische Kontraktion des Wicklungsträgers der Spule nicht zu einer radialen Zugbelastung des Bandleiters der Spulenwicklung der Spule. Dadurch wird vorteilhafterweise auch eine Stauchung des Bandleiters in Längsrichtung verhindert, wodurch eine Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften der Supraleiterschicht des Bandleiters vermieden wird. Ebenso wird dadurch vorteilhafterweise eine Delaminierung des Bandleiters vermieden, die ebenfalls zu einer Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften führt.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Wicklungsträger aus einem Material ausgebildet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist als ein effektiver thermischer Ausdehnungskoeffizient des Bandleiters in eine Längsrichtung des Bandleiters. Vorteilhafterweise kommt es beim Abkühlen der Spule dann zu einem Aufschrumpfen der Spulenwicklung auf den Wicklungsträger. Da sich der Wicklungsträger während des Abkühlens geringer thermisch kontrahiert als die Spulenwicklung, steigt ein radialer Druck innerhalb der Spulenwicklung beim Abkühlen an, wodurch eine Stauchung des Bandleiters in Längsrichtung verhindert wird.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Bandleiter mit einem Wickelzug um den ersten Wicklungsträger gewickelt, der eine Dehnung des Bandleiters in eine Längsrichtung des Bandleiters bewirkt, wobei der Wickelzug so groß gewählt wird, dass die Dehnung des Bandleiters in Längsrichtung mindestens so groß ist, wie eine bei Abkühlung der Spule auf die Betriebstemperatur der Spule auftretende Differenz zwischen einer thermischen Kontraktion des Bandleiters in Längsrichtung und einer thermischen Kontraktion des Wicklungsträgers. Vorteilhafterweise gleicht der Wickelzug dann unterschiedliche thermische Kontraktionen von Wicklungsträger und Spulenwicklung aus, so dass sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Betriebstemperatur der Spule stets ein positiver radialer Druck zwischen den Lagen der Spulenwicklung besteht. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Stauchung des Bandleiters der Spulenwicklung in Längsrichtung beziehungsweise eine Delaminierung des Bandleiters verhindert, wodurch eine Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften der Supraleiterschicht des Bandleiters vermieden wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird keine starke Verbindung zwischen dem Bandleiter und dem ersten Wicklungsträger erzeugt. Vorteilhafterweise ist es dann unerheblich, ob sich der Wicklungsträger bei Abkühlung stärker thermisch kontrahiert als die Spulenwicklung. Zieht sich der Wicklungsträger beim Abkühlen stärker zusammen als die Spulenwicklung, so entsteht zwischen Wicklungsträger und Spulenwicklung ein Spalt, ohne dass ein radialer Zug auf die Lagen der Spulenwicklung ausgeübt wird. Zieht sich der Wicklungsträger beim Abkühlen weniger stark zusammen als die Spulenwicklung, so steigt der positive Druck zwischen den Lagen der Spulenwicklung an. In beiden Fällen wird eine Stauchung des Bandleiters der Spulenwicklung vermieden.
-
Alternativ kann eine Verbindung zwischen dem Bandleiter und dem ersten Wicklungsträger so schwach ausgebildet werden, dass sie bei einer Spannung bereits unterhalb von 10 MPa aufgetrennt wird. Auch in diesem Fall wird eine durch eine stärkere thermische Kontraktion des Wicklungsträgers als der Spulenwicklung bedingte Zugbelastung des Bandleiters der Spulenwicklung verhindert, da bereits vor Erreichen einer kritischen Zugbelastung die Verbindung zwischen Bandleiter und Wicklungsträger aufgetrennt wird, so dass sich ein Spalt zwischen Wicklungsträger und Spulenwicklung ausbilden kann.
-
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung dieses Verfahrens wird der Bandleiter nicht mit dem ersten Wicklungsträger verklebt.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Wicklungsträger aus PTFE (Teflon) ausgebildet. Vorteilhafterweise kann die Spulenwicklung dann dennoch durch Wickeln des Bandleiters um den ersten Wicklungsträger hergestellt werden, ohne dass es zu einem Verkleben des Bandleiters mit dem ersten Wicklungsträger kommt.
-
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Wicklungsträger vor dem Wickeln der Spulenwicklung mit einem Trennmittel beschichtet oder besprüht. Vorteilhafterweise kann auch in dieser Ausführungsform die Spulenwicklung durch Wickeln des Bandleiters um den Wicklungsträger hergestellt werden, ohne dass es zu einem Verkleben des Bandleiters mit dem ersten Wicklungsträger kommt.
-
Als Trennmittel kann bevorzugt PTFE (Teflon) verwendet werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Bandleiter vor dem Wickeln der Spulenwicklung elektrisch leitend mit einem am ersten Wicklungsträger angeordneten Stromkontakt verbunden. Vorteilhafterweise kann der Stromkontakt dann zum Beaufschlagen der Spulenwicklung mit einem elektrischen Strom verwendet werden.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Wicklungsträger nach dem Wickeln der Spulenwicklung aus der Spulenwicklung entfernt. Vorteilhafterweise ist dies möglich, da der Bandleiter der Spulenwicklung nicht mit dem ersten Wicklungsträger verklebt wird. Vorteilhafterweise gestattet es dieses Verfahren, eine Spule herzustellen, deren Spulenwicklung einzeln getestet werden kann.
-
In einer Weiterbildung dieses Verfahrens werden nach dem Entfernen des ersten Wicklungsträgers weitere Verfahrensschritte ausgeführt zum Montieren der Spulenwicklung auf einem zweiten Wicklungsträger, der einen geringeren Durchmesser aufweist als der erste Wicklungsträger, und zum Auffüllen eines Bereichs zwischen dem zweiten Wicklungsträger und der Spulenwicklung mit einem flexiblen Material beziehungsweise mit einem Material, dessen Zugfestigkeit unterhalb von 10 MPa liegt. Vorteilhafterweise kann der zweite Wicklungsträger dann aus einem Material ausgebildet werden, der eine stärkere thermische Kontraktion aufweist als die Spulenwicklung. Der sich ergebende Spalt zwischen dem zweiten Wicklungsträger und der Spulenwicklung weist dann bei unterschiedlichen Temperaturen eine unterschiedliche Größe auf, was durch das flexible Material beziehungsweise das Material mit geringer Zugfestigkeit ausgeglichen wird, wodurch die Spule mechanisch stabilisiert wird.
-
Bevorzugt handelt es sich bei dem flexiblen Material um ein Material mit einer geringen Zugfestigkeit, beispielsweise kleiner als 10 MPa.
-
Als flexibles Material kann bevorzugt Wachs verwendet werden.
-
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Entfernen des ersten Wicklungsträgers ein Schritt ausgeführt zum Montieren der Spulenwicklung in einem äußeren Wicklungsträger. Vorteilhafterweise ist die daraus entstehende Spule mit äußerem Wicklungsträger besonders gut für Anwendungen geeignet, bei denen große radial nach außen wirkende Kräfte, beispielsweise Fliehkräfte und Lorentzkräfte, wirken. Dies ist beispielsweise bei schnell rotierenden Maschinen, beispielsweise bei Kraftwerksgeneratoren, der Fall. Dabei entsteht eine zusätzliche in radiale Richtung der Spulenwicklung wirkende Druckspannung, die jedoch keine Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften der Spule zur Folge hat.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens werden die Spulenwicklung und der äußere Wicklungsträger vor dem Montieren der Spulenwicklung in dem äußeren Wicklungsträger auf unterschiedliche Temperaturen gebracht. Vorteilhafterweise bewirken die unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Spulenwicklung und Wicklungsträger, wodurch das Einsetzen der Spulenwicklung in den äußeren Wicklungsträger vereinfacht wird.
-
In allen Ausführungsformen des Verfahrens ist es bevorzugt, dass die Spulenwicklung nach dem Wickeln mit einem elektrisch isolierenden Material imprägniert wird. Vorteilhafterweise bewirkt die Imprägnierung der Spulenwicklung eine elektrische Isolation der Spulenwicklung und eine mechanische Stabilisierung der Spulenwicklung.
-
Eine erfindungsgemäße Spule umfasst eine Spulenwicklung, die in Lagen aus einem Bandleiter gewickelt ist, wobei der Bandleiter ein bandförmiges Substratband und eine auf dem Substratband angeordnete Supraleiterschicht aufweist. Dabei besteht sowohl bei Raumtemperatur als auch bei einer Betriebstemperatur der Spule ein positiver radialer Druck zwischen den Lagen der Spulenwicklung. Vorteilhafterweise kann bei dieser Spule ein Abkühlen der Spule und eine damit einhergehende thermische Kontraktion nicht zu einer Zugspannung in der Spulenwicklung und einer damit einhergehenden Stauchung des Bandleiters der Spulenwicklung in Längsrichtung beziehungsweise Delaminierung kommen, wodurch die Spule vor einer Degradation ihrer supraleitenden Eigenschaften geschützt ist.
-
In einer Ausführungsform der Spule umfasst diese einen Wicklungsträger, wobei die Spulenwicklung um den Wicklungsträger gewickelt ist. Der Wicklungsträger besteht dabei aus einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist als ein effektiver thermischer Ausdehnungskoeffizient des Bandleiters in eine Längsrichtung des Bandleiters.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Spule ist der Bandleiter mit einem Wickelzug um einen Wicklungsträger gewickelt, der eine Dehnung des Bandleiters in eine Längsrichtung des Bandleiters bewirkt, wobei die Dehnung des Bandleiters in Längsrichtung mindestens so groß ist, wie eine bei Abkühlung der Spule auf die Betriebstemperatur der Spule auftretende Differenz zwischen einer thermischen Kontraktion des Bandleiters in Längsrichtung und einer thermischen Kontraktion des Wicklungsträgers.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Spule umfasst diese einen Wicklungsträger, wobei die Spulenwicklung um den Wicklungsträger gewickelt ist. Dabei besteht keine starke Verbindung zwischen dem Bandleiter und dem Wicklungsträger. Entweder besteht zwischen Bandleiter und Wicklungsträger überhaupt keine Verbindung oder eine Verbindung zwischen Bandleiter und Wicklungsträger ist so schwach ausgebildet, dass sie bei einer Spannung unterhalb von 10 MPa aufgetrennt wird. Vorteilhafterweise kann der Wicklungsträger zur mechanischen Stabilisierung der Spulenwicklung der Spule dienen. Da der Wicklungsträger jedoch nicht stark mit der Spulenwicklung verbunden ist, führt eine thermische Kontraktion des Wicklungsträgers vorteilhafterweise nicht zu einer radialen Zugspannung in der Spulenwicklung.
-
Bevorzugt besteht der erste Wicklungsträger aus PTFE (Teflon) oder ist mit PTFE beschichtet. Vorteilhafterweise wird dadurch ein Verkleben der Spulenwicklung mit dem Wicklungsträger verhindert.
-
In einer Ausführungsform der Spule besteht der erste Wicklungsträger aus einem Material, das sich bei Abkühlung stärker kontrahiert als die Spulenwicklung. Vorteilhafterweise führt eine Kontraktion des Wicklungsträgers dennoch nicht zu einer radialen Zugspannung in der Spulenwicklung, da die Spulenwicklung nicht mit dem Wicklungsträger verklebt ist.
-
Es ist zweckmäßig, wenn ein radial inneres Ende des Bandleiters der Spulenwicklung elektrisch leitend mit einem am ersten Wicklungsträger angeordneten Stromkontakt verbunden ist. Vorteilhafterweise kann der Stromkontakt dann zum Beaufschlagen der Spulenwicklung mit einem elektrischen Strom dienen.
-
In einer Ausführungsform der Spule weist der erste Wicklungsträger einen Außendurchmesser auf, der geringer ist als ein Innendurchmesser der Spulenwicklung. Dabei ist in einem Bereich zwischen dem ersten Wicklungsträger und der Spulenwicklung ein flexibles Material angeordnet. Vorteilhafterweise können durch das flexible Material unterschiedliche thermische Größenänderungen von Wicklungsträger und Spulenwicklung ausgeglichen werden.
-
Bevorzugt handelt es sich bei dem flexiblen Material um ein Material mit einer geringen Zugfestigkeit, beispielsweise kleiner als 10 MPa.
-
Bevorzugt ist das flexible Material ein Wachs.
-
In einer alternativen Ausführungsform der Spule weist diese einen zweiten Wicklungsträger auf, der umlaufend außen um die Spulenwicklung angeordnet ist. Vorteilhafterweise stabilisiert der zweite Wicklungsträger die Spule im Hinblick auf radial nach außen auf die Spule wirkende Kräfte, wie sie beispielsweise in schnell rotierenden Maschinen, etwa Kraftwerksgeneratoren, auftreten können.
-
Bevorzugt besteht der zweite Wicklungsträger aus einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im Wesentlichen dem der Spulenwicklung entspricht. Vorteilhafterweise führen Temperaturveränderungen der Spule dann nicht zu einer wesentlichen Änderung des radialen Drucks in der Spulenwicklung der Spule.
-
Bevorzugt weist die Supraleiterschicht der Spule ein Hochtemperatur-Supraleitermaterial auf. Vorteilhafterweise ist zur Kühlung der Spule auf ihre Betriebstemperatur dann ein wesentlich geringerer Aufwand notwendig, als wenn die Supraleiterschicht aus einem Tieftemperatur-Supraleitermaterial besteht.
-
Besonders bevorzugt weist die Supraleiterschicht ein Yttrium-Barium-Kupferoxid auf. Vorteilhafterweise weisen Yttrium-Barium-Kupferoxide besonders hohe Sprungtemperaturen auf.
-
Das Substratband des Bandleiters der Spule weist bevorzugt eine Dicke zwischen 50 µm und 100 µm auf.
-
In einer Ausführungsform der Spule weist die Spulenwicklung einen kreisförmigen Querschnitt auf.
-
In einer alternativen Ausführungsform der Spule ist die Spulenwicklung als Rennbahnwicklung ausgebildet.
-
In einer Ausführungsform der Spule ist die Spulenwicklung in Scheibenwicklung gewickelt. Vorteilhafterweise ist die Spule dann besonders kompakt ausgebildet.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Spule weist die Spulenwicklung zwei Scheibenwicklungen und ein zwischen den Scheibenwicklungen angeordnetes Kühlblech auf. Vorteilhafterweise kann das Kühlblech dann zum Kühlen der Scheibenwicklungen der Spulenwicklung der Spule dienen.
-
Bevorzugt sind die Scheibenwicklungen mit dem Kühlblech verklebt.
-
In einer Weiterbildung der Spule weist die Spulenwicklung eine stirnseitige Endplatte auf. Vorteilhafterweise kann die Endplatte zur Stabilisierung der Spulenwicklung der Spule dienen. Es können auch zwei Endplatten an beiden stirnseitigen Enden der Spulenwicklung vorgesehen sein.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
-
1 einen ersten radialen Druckverlauf in einer nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Spule;
-
2 einen zweiten radialen Druckverlauf in einer mit ausreichendem Wickelzug hergestellten Spule;
-
3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Bandleiters;
-
4 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine erste Spule;
-
5 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine zweite Spule;
-
6 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine dritte Spule; und
-
7 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine vierte Spule.
-
Anhand der 1 wurde erkennbar, dass eine Degradation bei einer nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Hochtemperatur-Supraleiter-Spule auftritt, wenn die Spulenwicklung mit nicht ausreichendem Wickelzug um den Wicklungsträger gewickelt wurde.
-
Um eine mit einem Abkühlen der Spule einhergehende Degradation der supraleitenden Eigenschaften des Bandleiters der Spule zu vermeiden, kann die Spulenwicklung so aufgebaut werden, dass vor wie auch nach einer anwendungsspezifischen Temperaturänderung (Abkühlung auf Betriebstemperatur) immer ein ausreichender radialer Druck zwischen allen Lagen der Spulenwicklung, sowohl innen wie außen in der Spulenwicklung, vorhanden ist, um eine mechanische Bewegung und/oder eine Schädigung des Bandleiters durch Reißen, Abscheren oder durch sonstige Effekte zum Beispiel Delaminierung zu verhindern. Ein ausreichender Druck bedeutet hierbei, dass entweder eine ausreichende Reibung zwischen den Lagen der Spulenwicklung besteht, oder dass zwischen den Lagen der Spulenwicklung befindliche Klebematerialien (z.B. Vergussharze) nicht in radiale Richtung senkrecht zur Bandebene des die Supraleiterschicht aufweisenden Bandleiters auf Zug beansprucht werden.
-
2 zeigt in schematischer Darstellung einen zweiten Druckverlauf 200 innerhalb einer Spulenwicklung einer weiteren Hochtemperatur-Supraleiter-Spule. Wie in 1 weist auch bei dieser weiteren Spule der Wicklungsträger eine höhere thermische Kontraktion als die Spulenwicklung auf, zieht sich bei Abkühlung also stärker zusammen. Beim Herstellen der Spulenwicklung der weiteren Spule wurde ein höherer Wickelzug verwendet als zur Herstellung der Spule der 1. Auf einer horizontalen Achse 210 der 2 ist wiederum ein Radius der Spulenwicklung in Millimetern angegeben. Auf einer vertikalen Achse 220 ist ein in der Spulenwicklung herrschender Druck in bar aufgetragen.
-
Erste Datenpunkte 230 geben den Druckverlauf in der Spulenwicklung vor dem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter-Spule an. Zweite Datenpunkte 240 geben den Druckverlauf in der Spulenwicklung nach dem Abkühlen der Spule an. Es ist erkennbar, dass sowohl vor als auch nach dem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter-Spule ein zum Zentrum der Spulenwicklung hin zunehmender Druck herrscht. Folglich werden die Lagen der Spulenwicklung in radiale Richtung der Spulenwicklung nicht auf Zug belastet und es kommt zu keiner Stauchung in Längsrichtung des Bandleiters der Spulenwicklung beziehungsweise Delaminierung. Somit unterliegt die Hochtemperatur-Supraleiter-Spule der 2 keiner durch das Abkühlen der Spule bedingten Degradation.
-
Ein ausreichend großer positiver radialer Druck zwischen den Lagen der Spulenwicklung kann dadurch erreicht werden, dass die Spulenwicklung mit einem ausreichend großen Wickelzug um den Wicklungsträger gewickelt wird. Der Wickelzug muss dabei so groß gewählt sein, dass sich während des Wickelns der Spulenwicklung um den Wicklungsträger eine Dehnung des Bandleiters in eine Längsrichtung des Bandleiters ergibt. Die Dehnung des Bandleiters in Längsrichtung muss dabei mindestens so groß sein, wie eine bei Abkühlung der Spule auf ihre Betriebstemperatur auftretende Differenz zwischen einer thermischen Kontraktion des Bandleiters in Längsrichtung und einer thermischen Kontraktion des Wicklungsträgers. Dann gleicht die Dehnung des Bandleiters beim Abkühlen der Spule unterschiedliche Kontraktionen von Wicklungsträger und Spulenwicklung aus, wodurch sichergestellt ist, dass auch bei tiefen Temperaturen ein positiver radialer Druck zwischen der Lagen der Spulenwicklung bestehen bleibt.
-
Alternativ oder zusätzlich kann der Wicklungsträger der Spule aus einem Material ausgebildet werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist als ein effektiver thermischer Ausdehnungskoeffizient des Bandleiters in eine Längsrichtung des Bandleiters. Vorteilhafterweise zieht sich der Wicklungsträger beim Abkühlen der Spule dann weniger stark zusammen als der Bandleiter der Spulenwicklung. Hierdurch wird das Auftreten eines radialen Zugs zwischen den Lagen der Spulenwicklung verhindert. Stattdessen bleibt auch bei tiefen Temperaturen ein positiver radialer Druck zwischen den Lagen der Spulenwicklung bestehen.
-
Anhand der 1 und 2 wurde erkennbar, dass eine Degradation bei einer Hochtemperatur-Supraleiter-Spule dadurch verhindert werden kann, dass der Wickelzug beim Herstellen der Spulenwicklung der Spule ausreichend groß gewählt wird. Experimente haben ergeben, dass eine entsprechende Abhängigkeit auch von dem für den Wicklungsträger gewählten Material und den für den Wicklungsträger gewählten mechanischen Dimensionen besteht. Wird der Wicklungsträger zu schwach ausgebildet, also beispielsweise aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul zu klein ist, oder dessen radialer Durchmesser zu gering gewählt ist, so kommt es beim Abkühlen der darauf gewickelten Spulenwicklung zu einem radialen Zug zwischen den Lagen des Bandleiters der Spulenwicklung, dadurch zu einer Stauchung des Bandleiters in Längsrichtung und somit zu einer Degradation der supraleitenden Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter-Spule. Wird für den Wicklungsträger hingegen ein Material mit ausreichend großem Elastizitätsmodul und ein ausreichend großer Durchmesser gewählt, so erhält man eine Hochtemperatur-Supraleiter-Spule, deren supraleitende Eigenschaften durch ein Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter-Spule nicht verschlechtert werden.
-
3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Bandleiters 300, der sich zum Herstellen einer Spulenwicklung für eine supraleitende Spule eignet. Der Bandleiter 300 ist als längliches Band ausgebildet und umfasst mehrere Lagen.
-
Ein Substratband 310 bildet ein Trägermaterial des Bandleiters 300. Das Substratband 310 kann beispielsweise aus einer Stahllegierung oder aus einer Nickel-Wolfram-Legierung bestehen. Das Substratband 310 weist bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Dicke des Substratbandes 310 kann beispielsweise 50 Mikrometer bis 100 Mikrometer betragen.
-
Auf dem Substratband 310 ist eine Supraleiterschicht 320 angeordnet. Die Supraleiterschicht 320 besteht bevorzugt aus einem Hochtemperatur-Supraleiter, besonders bevorzugt aus einem Hochtemperatur-Supraleiter der zweiten Generation. Bei dem Supraleiter der Supraleiterschicht 320 kann es sich beispielsweise um ein Yttrium-Barium-Kupferoxid handeln.
-
Auf der Supraleiterschicht 320 ist eine Stabilisierungsschicht 330 angeordnet. Die Stabilisierungsschicht 330 kann beispielsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung bestehen. Die Stabilisierungsschicht 330 kann auch entfallen. Es können auch weitere Schichten, beispielsweise Pufferschichten, zwischen dem Substratband 310 und der Supraleiterschicht 320 oder auf der Supraleiterschicht 320, beispielsweise eine Passivierung, vorgesehen sein. Diese sind jedoch höchstens einige Mikrometer dick und beeinflussen das mechanische Verhalten des Leiters nicht wesentlich.
-
Auf der Stabilisierungsschicht 330 kann eine Isolatorschicht 340 angeordnet sein, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht. Falls der Bandleiter 300 keine Stabilisierungsschicht 330 aufweist, so kann die Isolatorschicht 340 direkt auf der Supraleiterschicht 320 angeordnet sein. Die Isolatorschicht 340 kann jedoch auch entfallen oder erst lagenweise während des Wickelns einer Spulenwicklung aus dem Bandleiter 300 aufgetragen werden. Die Isolatorschicht 340 kann einen Kunststoff aufweisen oder aus einem Isolatorband bestehen.
-
4 bis 7 zeigen Beispiele unterschiedlicher Hochtemperatur-Supraleiter-Spulen. Zur Herstellung dieser Spulen wird der in 3 gezeigte Bandleiter 300 jeweils auf einem inneren Wicklungsträger (Wickeldorn) aufgewickelt. Dabei wird keine starke Verbindung zwischen dem Bandleiter 300 und dem Wicklungsträger erzeugt. Bevorzugt wird der Bandleiter 300 nicht mit dem Wicklungsträger verklebt. Alternativ kann aber auch eine Verbindung zwischen Bandleiter 300 und Wicklungsträger, beispielsweise durch Verkleben, hergestellt werden, diese Verbindung aber so schwach ausgeführt werden, dass sie bereits bei einer Spannung von unterhalb 10 MPa aufgetrennt wird.
-
Die fertig gewickelte Spulenwicklung wird üblicherweise mit einem Imprägnierharz imprägniert. Um eine Verklebung des Bandleiters 300 mit dem Wicklungsträger durch das Imprägnierharz zu vermeiden, kann der Wicklungsträger beispielsweise aus PTFE (Polytetrafluorethylen) bestehen. Bevorzugt besteht der Wicklungsträger aus unter dem Handelsnamen Teflon von der Firma DuPont erhältlichem PTFE oder aus einem vergleichbaren Produkt. Alternativ kann der Wicklungsträger vor dem Aufwickeln des Bandleiters 300 mit einem Trennmittel beschichtet, bestrichen oder besprüht werden. Das Trennmittel kann beispielsweise ebenfalls PTFE oder Trennfett sein. Werden beim Aufwickeln des Bandleiters 300 auf dem Wicklungsträger Endplatten verwendet, so sollten diese ebenfalls aus PTFE bestehen oder mit einem Trennmittel beschichtet oder besprüht sein, um ein Verkleben des Bandleiters 300 mit den Endplatten zu vermeiden.
-
Das Imprägnieren der fertigen Spulenwicklung kann, wie bereits erwähnt, nach dem Aufwickeln des Bandleiters 300 zur Spulenwicklung durch Einpinseln der Spulenwicklung mit einem Imprägnierharz erfolgen. Das Imprägnieren kann jedoch alternativ auch bereits während des Wickelns der Spulenwicklung erfolgen, indem der Bandleiter 300 während des Aufwickelns mit Imprägnierharz benetzt wird. Alternativ kann die fertig aufgewickelte Spulenwicklung auch durch Vakuumverguss imprägniert werden.
-
In 4 bis 7 sind Spulen mit kreisförmigen Spulenwicklungen dargestellt. Die Spulen könnten jedoch auch Spulenwicklungen in Rennbahnwicklung oder in anderen Wicklungsgeometrien aufweisen.
-
Weiter sind die Spulenwicklungen der in 4 bis 7 dargestellten Spulen in Scheibenwicklung ausgebildet. Dies bedeutet, dass jede Lage des Bandleiters 300 in der Spulenwicklung jeweils genau auf der darunter liegenden Lage des Bandleiters 300 angeordnet ist. Es sind jedoch auch Spulenwicklungen mit anderen Konfigurationen, beispielsweise mit Lagenwicklungen, möglich.
-
Die Spulenwicklungen der in 4 bis 7 dargestellten Spulen weisen jeweils ein dargestelltes Kühlblech zwischen zwei benachbarten Scheibenwicklungen auf. Alternativ könnten jedoch auch weitere oder gar keine Kühlbleche vorgesehen sein. Kühlbleche könnten auch an anderen Positionen der Spulenwicklungen der Spule vorgesehen sein, beispielsweise an Stirnflächen der Spulenwicklungen oder an Innen- oder Außenradien der Spulenwicklungen.
-
4 zeigt einen Schnitt durch eine erste Spule 400. Die erste Spule 400 weist eine Spulenwicklung 410 auf, die als doppelte Scheibenwicklung mit einer ersten Scheibenwicklung 420 und einer zweiten Scheibenwicklung 430 ausgebildet ist. Es könnten auch mehr oder weniger als zwei Scheibenwicklungen 420, 430 vorgesehen sein. Die Spulenwicklung 410 definiert eine radiale Richtung 411 der ersten Spule 400. Zwischen der ersten Scheibenwicklung 420 und der zweiten Scheibenwicklung 430 ist ein in radiale Richtung 411 verlaufendes Kühlblech 440 angeordnet, das mit den Scheibenwicklungen 420, 430 der Spulenwicklung 410 verklebt ist.
-
Die erste Spule 400 weist keinen Wicklungsträger auf. Zwar wurde zum Herstellen der Spulenwicklung 410 der Bandleiter 300 um einen Wicklungsträger aufgewickelt, der Wicklungsträger wurde jedoch nach dem Herstellen der Spulenwicklung 410 aus der Spulenwicklung 410 entfernt. Dies ist möglich, da der Bandleiter 300 während des Herstellens der Spulenwicklung 410 nicht mit dem Wicklungsträger verklebt worden ist.
-
Die erste Spule 400 der 4 eignet sich für Anwendungen, bei der die Spulenwicklung 410 der ersten Spule 400 im Betrieb der ersten Spule 400 keinen großen Kräften ausgesetzt ist. Die erste Spule 400 eignet sich somit für Anwendungen, bei denen keine durch eine Rotation bewirkten großen Fliehkräfte und keine durch Magnetfelder bewirkten großen Lorentzkräfte wirken.
-
Die erste Spule 400 eignet sich insbesondere dazu, die Spulenwicklung 410 einzeln zu testen. Anschließend kann die Spulenwicklung 410 der ersten Spule 400 mit einem weiteren Wicklungsträger kombiniert werden, wie nachfolgend anhand der 5 und 7 erläutert wird.
-
Jede der Scheibenwicklungen 420, 430 der Spulenwicklung 410 benötigt jeweils einen Stromkontakt an einem radial inneren und an einem radial äußeren Ende des Bandleiters 300, um die Spulenwicklung 410 mit einem elektrischen Strom zu beaufschlagen. Diese Stromkontakte können beispielsweise durch Klemmen oder Löten hergestellt werden. Von diesen Stromkontakten bis zu einer festen Trägerstruktur verlaufende Stromleitungen sollten so flexibel ausgebildet sein, dass sowohl bei hohen wie auch bei niedrigen Temperaturen keine großen zusätzlichen Kräfte über die Stromkontakte auf den Bandleiter 300 der Spulenwicklung 410 wirken.
-
5 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine zweite Spule 500. Die zweite Spule 500 weist wiederum eine Spulenwicklung 410 mit einer ersten Scheibenwicklung 420, einer zweiten Scheibenwicklung 430 und einem zwischen der ersten Scheibenwicklung 420 und der zweiten Scheibenwicklung 430 angeordneten Kühlblech 440 auf. Die Spulenwicklung 410 der zweiten Spule 500 entspricht insoweit der Spulenwicklung 410 der ersten Spule 400 der 4. Wiederum kann die Spulenwicklung 410 auch mehr oder weniger als zwei Scheibenwicklungen 420, 430 umfassen. Es können wiederum auch weitere Kühlbleche 440 oder gar kein Kühlblech 440 vorgesehen sein.
-
Zusätzlich weist die zweite Spule 500 der 5 jedoch einen inneren Wicklungsträger 510, eine erste Endplatte 520 und eine zweite Endplatte 530 auf. Die erste Endplatte 520 und die zweite Endplatte 530 verlaufen in die radiale Richtung 411. Die erste Scheibenwicklung 420 ist somit zwischen der ersten Endplatte 520 und dem Kühlblech 440 angeordnet. Die zweite Scheibenwicklung 430 ist zwischen dem Kühlblech 440 und der zweiten Endplatte 530 angeordnet.
-
Der innere Wicklungsträger 510, die erste Endplatte 520 und die zweite Endplatte 530 sind nicht mit der Spulenwicklung 410 verklebt. Hierzu können der innere Wicklungsträger 510, die erste Endplatte 520 und die zweite Endplatte 530 aus PTFE (Polytetrafluorethylen) bestehen oder mit PTFE oder einem anderen geeigneten Trennmittel beschichtet, eingestrichen oder besprüht sein. Bevorzugt bestehen der innere Wicklungsträger 510, die erste Endplatte 520 und die zweite Endplatte 530 aus unter dem Handelsnamen Teflon von der Firma DuPont erhältlichem PTFE oder aus einem vergleichbaren Produkt.
-
Der innere Wicklungsträger 510 besteht aus einem Material, das sich bei Abkühlung stärker zusammenzieht als die Spulenwicklung 410. Beispielsweise kann der innere Wicklungsträger 510 aus Kupfer oder aus Aluminium oder aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung bestehen. Da der innere Wicklungsträger 510 nicht mit der Spulenwicklung 410 verbunden ist, kann der innere Wicklungsträger 510 nicht über die Spulenwicklung 410 gekühlt werden, sondern muss separat an ein Kühlsystem angebunden werden. Dies ist in 5 nicht dargestellt. Die thermische Anbindung des inneren Wicklungsträgers 510 muss dabei so gut sein, dass der innere Wicklungsträger 510 beim Abkühlen der zweiten Spule 500 mindestens genauso schnell abkühlt wie die Spulenwicklung 410.
-
Dadurch, dass der innere Wicklungsträger 510 aus einem Material besteht, das sich bei Abkühlung stärker zusammenzieht als die Spulenwicklung 410, besteht zwischen der Spulenwicklung 410 und dem inneren Wicklungsträger 510 bei tiefen Temperaturen ein Spalt 540. Der Spalt 540 kann bei einem Radius der Spulenwicklung 410 von 1 m bei der Betriebstemperatur der zweiten Spule 500 beispielsweise 0,5 mm betragen. Daher hält der innere Wicklungsträger 510 die Spulenwicklung 410 auch bei der Betriebstemperatur der zweiten Spule 500 noch immer stabil an ihrer Position und schützt die Spulenwicklung 410 vor starken Verformungen.
-
Zum Herstellen der zweiten Spule 500 kann die Spulenwicklung 410 direkt auf dem inneren Wicklungsträger 510 gewickelt werden. In diesem Fall kann ein in radiale Richtung 411 innerer Stromkontakt der Spulenwicklung 410 am inneren Wicklungsträger 510 ausgebildet und dort angelötet oder eingeklemmt werden. Dies führt dazu, dass die Spulenwicklung 410 nach dem Abkühlen der zweiten Spule 500 an dieser Stelle mit dem inneren Wicklungsträger 510 in Kontakt bleibt, während sich an anderen Stellen in Umfangsrichtung des inneren Wicklungsträgers 510 bei tiefen Temperaturen der Spalt 540 ausbildet. Der innere Wicklungsträger 510 ist dann bei tiefen Temperaturen nicht genau in der Spulenwicklung 410 zentriert. Der in radiale Richtung 411 äußere Stromkontakt der Spulenwicklung 410 wird mechanisch frei ausgebildet, wie dies anhand der ersten Spule 400 der 4 erläutert wurde.
-
Eine weitere Möglichkeit zum Herstellen der zweiten Spule 500 besteht darin, die Spulenwicklung 410 zunächst durch Aufwickeln des Bandleiters 300 auf einem ersten Wicklungsträger zu erzeugen, wobei der erste Wicklungsträger wiederum aus PTFE besteht oder mit PTFE oder einem anderen geeigneten Trennmittel beschichtet ist, so dass der Bandleiter 300 nicht mit dem ersten Wicklungsträger verklebt wird. Nach dem Herstellen der Spulenwicklung 410 wird der erste Wicklungsträger aus der Spulenwicklung 410 entfernt, so dass eine Spule ohne Wicklungsträger erhalten wird, wie sie in 4 dargestellt ist. Anschließend wird die Spulenwicklung 410 auf dem inneren Wicklungsträger 510 montiert. Der innere Wicklungsträger 510 kann in diesem Fall ein deutlich geringeres Außenmaß als der erste Wicklungsträger aufweisen. Beispielsweise kann der innere Wicklungsträger 510 einen 5 mm geringeren Radius aufweisen als der erste Wicklungsträger, auf dem die Spulenwicklung 410 hergestellt worden ist. Der innere Wicklungsträger 510 muss in diesem Fall nicht aus PTFE bestehen oder mit PTFE oder einem anderen Trennmittel beschichtet sein. Stattdessen kann der innere Wicklungsträger 510 in diesem Fall, wie ausgeführt, aus Aluminium, Kupfer oder einer Aluminium- oder Kupferlegierung bestehen.
-
Der nach dem Montieren der Spulenwicklung 410 auf dem inneren Wicklungsträger 510 zwischen der Spulenwicklung 410 und dem inneren Wicklungsträger 510 verbleibende Spalt 540 kann bei diesem Verfahren mit einem flexiblen Material bzw. einem Material mit geringer Zugfestigkeit aufgefüllt werden. Bei dem flexiblen Material kann es sich beispielsweise um Wachs handeln. Das im Spalt 540 angeordnete flexible Material schützt die Spulenwicklung 410 im Betrieb der zweiten Spule 500 auch vor kleineren Verformungen und vor Vibrationen. Zudem gleicht das im Spalt 540 angeordnete flexible Material eine durch Temperaturveränderungen der zweiten Spule 500 bewirkte Größenänderung des Spalts 540 elastisch aus.
-
6 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine dritte Spule 600. Die dritte Spule 600 weist wiederum eine Spulenwicklung 410 mit einer ersten Scheibenwicklung 420, einer zweiten Scheibenwicklung 430 und einem zwischen der ersten Scheibenwicklung 420 und der zweiten Scheibenwicklung 430 angeordneten Kühlblech 440 auf. Die Spulenwicklung 410 der dritten Spule 600 entspricht somit den Spulenwicklungen 410 der ersten Spule 400 und der zweiten Spule 500.
-
Weiter weist die dritte Spule einen inneren Wicklungsträger 610, eine erste Endplatte 620 und eine zweite Endplatte 630 auf. Die Spulenwicklung 410 der dritten Spule 600 ist nicht mit dem inneren Wicklungsträger 610, der ersten Endplatte 620 und der zweiten Endplatte 630 der dritten Spule 600 verbunden. Im Unterschied zur zweiten Spule 500 bestehen der innere Wicklungsträger 610, die erste Endplatte 620 und die zweite Endplatte 630 der dritten Spule 600 aus einem Material, das sich bei Abkühlung weniger stark zusammenzieht als die Spulenwicklung 410 der dritten Spule 600. Der innere Wicklungsträger 610, die erste Endplatte 620 und die zweite Endplatte 630 können beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff oder einem niedriglegierten Stahl bestehen und mit PTFE oder mit einem anderen geeigneten Trennmittel beschichtet oder besprüht sein.
-
Da sich der innere Wicklungsträger 610 beim Abkühlen der dritten Spule 600 weniger stark kontrahiert als die Spulenwicklung 410 der dritten Spule 600, kommt es beim Abkühlen der dritten Spule 600 zu einer Erhöhung des in der Spulenwicklung 410 wirkenden radialen Drucks, jedoch nicht zu einer radialen Zugbelastung innerhalb der Spulenwicklung 410. Es wurde bereits dargelegt, dass eine zusätzliche radiale Druckbelastung innerhalb der Spulenwicklung 410 im Gegensatz zu einer radialen Zugbelastung nicht zu einer Degradation der supraleitenden Eigenschaften des Bandleiters 300 der Spulenwicklung 410 führt.
-
Die Spulenwicklung 410 muss bei der dritten Spule 600 thermisch ausreichend gut an ein Kühlsystem angekoppelt sein, damit die Spulenwicklung 410 mindestens ebenso schnell abkühlt wie der innere Wicklungsträger 610. Würde der innere Wicklungsträger 610 schneller abkühlen als die Spulenwicklung 410, so könnte es während des Abkühlens der dritten Spule 600 zu einer in der Spulenwicklung 410 wirkenden Zugbelastung in radiale Richtung 411 kommen. Dies hätte eine Degradation der supraleitenden Eigenschaften zur Folge.
-
Bei der dritten Spule 600 können sowohl der in radiale Richtung 411 innere Stromkontakt der Spulenwicklung 410 als auch der in radiale Richtung 411 äußere Stromkontakt der Spulenwicklung 410 mechanisch fest mit dem inneren Wicklungsträger 610 oder den Endplatten 620, 630 verbunden sein.
-
7 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine vierte Spule 700. Die vierte Spule 700 weist eine Spulenwicklung 410 mit einer ersten Scheibenwicklung 420 und einer zweiten Scheibenwicklung 430 auf, die insoweit der Spulenwicklung 410 der ersten Spule 400 der 4 entspricht. Zwischen der ersten Scheibenwicklung 420 und der zweiten Scheibenwicklung 430 ist bei der Spulenwicklung 410 der vierten Spule 700 ein Kühlblech 740 angeordnet, das mit den Scheibenwicklungen 420, 430 verklebt ist und in radiale Richtung 411 nach innen über die Scheibenwicklungen 420, 430 übersteht.
-
Außerdem weist die vierte Spule 700 einen äußeren Wicklungsträger 710, eine erste Endplatte 720 und eine zweite Endplatte 730 auf. Der äußere Wicklungsträger 710, die erste Endplatte 720 und die zweite Endplatte 730 sind wiederum nicht mit der Spulenwicklung 410 verklebt. Der äußere Wicklungsträger 710 ist im Unterschied zu den inneren Wicklungsträgern 510, 610 der zweiten Spule 500 und der dritten Spule 600 in radiale Richtung 411 außen umlaufend um die Spulenwicklung 410 angeordnet. Daher eignet sich die vierte Spule 700 insbesondere für Anwendungen, bei denen im Betrieb der vierten Spule 700 große Kräfte in radiale Richtung 411 nach außen auf die Spulenwicklung 410 wirken. Diese Kräfte können beispielsweise in schnell rotierenden Maschinen auftretende Fliehkräfte oder durch starke Magnetfelder bewirkte Lorentzkräfte sein. Die vierte Spule 700 eignet sich somit besonders gut zur Verwendung in Kraftwerksgeneratoren. In radiale Richtung 411 nach außen auf die Spulenwicklung 410 wirkende Kräfte führen bei der vierten Spule 700 wegen des äußeren Wicklungsträgers 710 zu einer Erhöhung des in der Spulenwicklung 410 in radiale Richtung 411 wirkenden Drucks, was jedoch, wie bereits ausgeführt, keine Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften der Spulenwicklung 410 zur Folge hat.
-
Zur Herstellung der vierten Spule 700 kann die Spulenwicklung 410 wiederum zunächst auf einem inneren Wicklungsträger durch Aufwickeln des Bandleiters 300 hergestellt werden, ohne dass der Bandleiter 300 der Spulenwicklung 410 dabei mit dem inneren Wicklungsträger verklebt wird. Anschließend wird der innere Wicklungsträger aus der Spulenwicklung 410 entfernt, so dass eine Spule mit einer Spulenwicklung 410 ohne Wicklungsträger erhalten wird, wie sie anhand der 4 dargestellt wurde. Die Spulenwicklung 410 wird anschließend in dem äußeren Wicklungsträger 710 montiert. Dies ist besonders einfach möglich, wenn die Spulenwicklung 410 und der äußere Wicklungsträger 710 vor dem Einsetzen der Spulenwicklung 410 in den äußeren Wicklungsträger 710 auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden. Wird die Spulenwicklung 410 abgekühlt und/oder der äußere Wicklungsträger 710 erwärmt, so bewirken die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Spulenwicklung 410 und äußerem Wicklungsträger 710, dass die Spulenwicklung 410 leicht in den äußeren Wicklungsträger 710 eingesetzt werden kann.
-
Der äußere Wicklungsträger 710, die erste Endplatte 720 und die zweite Endplatte 730 bestehen aus einem Material, das sich bei Abkühlung etwa genauso stark zusammenzieht wie die Spulenwicklung 410 der vierten Spule 700. Dadurch wird sichergestellt, dass auch beim Abkühlen der vierten Spule 710 keine in radiale Richtung 411 wirkende Zugspannung auf den Bandleiter 300 der Spulenwicklung 410 auftritt und es somit nicht zu einer Degradation der supraleitenden Eigenschaften der Spulenwicklung 410 kommt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Spulenwicklung 410, des äußeren Wicklungsträgers 710, der ersten Endplatte 720 und der zweiten Endplatte 730 können durch die Wahl eines geeigneten Materials für den äußeren Wicklungsträger 710, die erste Endplatte 720 und die zweite Endplatte 730 aufeinander abgestimmt werden. Es ist jedoch auch möglich, die thermische Kontraktion der Spulenwicklung 410 auf die des äußeren Wicklungsträgers 710, der ersten Endplatte 720 und der zweiten Endplatte 730 abzustimmen. Dies kann durch Wahl eines geeigneten Materials des Substratbandes 310 des Bandleiters 300 der Spulenwicklung 410, durch Wahl eines geeigneten Materials der Stabilisierungsschicht 330 des Bandleiters 300, durch eine geeignete Wahl der Isolatorschicht 340 des Bandleiters 300 oder durch das Zufügen mechanisch fester Materialien (beispielsweise Stahl) zum Bandleiter 300 erfolgen.
-
Der äußere Wicklungsträger 710, die erste Endplatte 720 und die zweite Endplatte 730 können beispielsweise aus einem hochlegierten kaltzähen Stahl bestehen. Solcher Stahl weist eine ähnliche thermische Kontraktion auf wie eine Spulenwicklung 410, die auf übliche Weise imprägniert wurde.
-
Das Imprägnieren der Spulenwicklung 410 erfolgt bevorzugt unmittelbar nach dem Wickeln der Spulenwicklung 410. Das Imprägnieren der Spulenwicklung 410 erfolgt bevorzugt mit einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise mit einem Epoxidharz.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
