DE102011082652B4 - Verfahren zur Fertigung einer Magnetspulenanordnung aus einem geschlitzten bandförmigen Leiter und Magnetspulenanordnung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Fertigung einer Magnetspulenanordnung (20–24) aus einem bandförmigen Leiter (1), welcher mit Ausnahme seiner beiden Endbereiche (2, 3) in Längsrichtung geschlitzt ist, so dass der bandförmige Leiter (1) ein erstes und ein zweites Halbband (4, 5) und zwei diese Halbbänder (4, 5) zu einer geschlossenen Schleife verbindende Endbereiche (2, 3) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) das erste Halbband (4) des geschlitzten bandförmigen Leiters (1) wird auf eine erste Zwischenspule (14) und das zweite Halbband (5) des geschlitzten bandförmigen Leiters (1) wird auf eine zweite Zwischenspule (15) aufgewickelt; b) im Wechsel werden Unterschritte des Typs b1) und des Typs b2) ausgeführt, mit b1) von der ersten Zwischenspule (14) werden auf einen Wickelkörper (9) der Magnetspulenanordnung (20–24) eine oder mehrere Windungen (12a, 12b) des ersten Halbbands (4) aufgewickelt, und b2) von der zweiten Zwischenspule (15) werden auf denselben Wickelkörper (9) eine oder mehrere Windungen (12a, 12b) des zweiten Halbbands (5) aufgewickelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Magnetspulenanordnung aus einem bandförmigen Leiter, welcher mit Ausnahme seiner beiden Endbereiche in Längsrichtung geschlitzt ist, so dass der bandförmige Leiter ein erstes und ein zweites Halbband und zwei diese Halbbänder zu einer geschlossenen Schleife verbindende Endbereiche aufweist.
• Eine solches Verfahren ist aus der WO 2007/004787 A2 bekannt geworden.
• Um starke Magnetfelder zu erzeugen, werden supraleitende Magnetspulen eingesetzt. Der in den supraleitenden Magnetspulen umlaufende Strom wird dabei praktisch ohne ohmsche Verluste getragen. Magnetspulen, die mit Drähten aus klassischen Tieftemperatursupraleitern (LTS) wie NbTi oder Nb₃Sn gewickelt sind, werden bereits vielfach in der Praxis eingesetzt, insbesondere in der NMR-Spektroskopie und der bildgebenden NMR. Dabei begrenzt die Magnetfeldstärke jeweils das Auflösungsvermögen.
• Um die erzeugbare Magnetfeldstärke weiter zu erhöhen, wird weltweit versucht, Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) in supraleitenden Magnetspulen einzusetzen. HTS-Materialien gestatten grundsätzlich gegenüber LTS-Materialien bei gleicher tiefer Temperatur (meist um 4 K) höhere Magnetfeldstärken (auch über 20 Tesla hinaus); bei höheren Temperaturen (etwa 15 bis 50 K), bei denen typische LTS-Materialien bereits normalleitend sind, können mit HTS-Materialien immer noch hohe Feldstärken (5 bis 15 Tesla) erzeugt werden.
• HTS-Materialien weisen jedoch in der Regel keramische Eigenschaften auf und besitzen eine geschichtete Kristallstruktur; die Eigenschaften der HTS-Materialien (einschließlich der Stromtragfähigkeit) hängen stark von der Richtung relativ zur Orientierung des geschichteten Kristalls ab (Anisotropie). In der Praxis ist es bisher vorteilhaft, HTS-Materialien in – oft sehr dünnen – Schichten als Teil von bandförmigen Leitern einzusetzen.
• In den letzten Jahren konnten wesentliche Verbesserungen bei der Herstellung und in der Qualität von bandförmigen HTS-Leitern erreicht werden, insbesondere bei den so genannten YBCO beschichteten Leitern (YBCO coated conductors). Für die Herstellung von Magnetspulen unter Nutzung von HTS-Materialien rücken daher Wickelanordnungen und Wickelverfahren, die für bandförmige Leiter geeignet sind, in den Vordergrund.
• Für einige Hochfeldanwendungen sind kurzgeschlossene supraleitende Magnetspulen mit extrem kleinem Schlaufenwiderstand (typischerweise kleiner 10 pΩ) erforderlich. Mit supraleitenden Verbindungsstellen (auch Spleißen oder Joints genannt) von bandförmigen HTS-Leitern sind solch kleine Schlaufenwiderstände derzeit jedoch nicht realisierbar.
• Aus der WO 2007/004787 A2 ist es bekannt, das Verbindungsproblem von Bändern mit einer durchgehenden supraleitenden Schicht mittels eines Schlitzes entlang des Bandes zu umgehen. Die beiden derart erzeugten Halbbänder sind über nicht-geschlitzte Endbereiche verbunden, so dass eine ununterbrochene Schleife für einen supraleitenden Strompfad entsteht. Als Aufbau für einen supraleitenden Elektromagneten wird in der WO 2007/004787 A2 vorgeschlagen, mit den Halbbändern jeweils eine Flachspule zu wickeln. Eine der Flachspulen wird anschließend um 180° gedreht, so dass die Magnetfelder der beiden Flachspulen sich im Betrieb addieren. Dabei kommt es aber zu einer erheblichen Verdrillung wenigstens eines Halbbands in den beiden Endbereichen; die resultierende mechanische Belastung kann den Leiter beschädigen, wodurch die Stromtragfähigkeit beeinträchtigt und damit auch das erreichbare Magnetfeld reduziert wird. Für größere, solenoidähnliche Spulen wird vorgeschlagen, das Band mehrfach längs zu schlitzen und für jedes Teilband eine Flachspule zu wickeln.
• Aus J. Kosa et al., „Application Possibilities with Continuous YBCO Loops Made of HTS wire”, Journal of Physics: Conference Series 234 (2010), 032030, ist eine Wickelanordnung für einen mit Ausnahme seiner Endbereiche längs geschlitzten, bandförmigen Supraleiter bekannt geworden, bei der keine Verdrillung an den Endbereichen auftritt. Aus einer Leiterschlaufe werden dabei mehrere, serielle Schlaufen geformt, wobei diese durch einander durch geführt werden. Dieses Vorgehen ist schwierig und nur für eine kleine Zahl von losen Windungen praktikabel, und ist insbesondere für eine Wicklung von Windungen auf einem Wickelkörper ungeeignet.
• Aus der US 7,566,684 B1 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem auf nur einen Wickelkörper die Halbbänder eines geschlitzten Bandes zu einer Doppel-Flachspule gewickelt werden. Die Halbbänder sind hierbei nur an einem Ende verbunden und bilden daher keine geschlossene Leiterschleife.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem auf einfache Weise ein geschlitzter, bandförmiger Leiter zu einer Magnetspulenanordnung, mit der auch starke Magnetfelder erzeugt werden können, gewickelt werden kann.
• Kurze Beschreibung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
• a) das erste Halbband des geschlitzten bandförmigen Leiters wird auf eine erste Zwischenspule und das zweite Halbband des geschlitzten bandförmigen Leiters wird auf eine zweite Zwischenspule aufgewickelt;
• b) im Wechsel werden Unterschritte des Typs b1) und des Typs b2) ausgeführt, mit b1) von der ersten Zwischenspule werden auf einen Wickelkörper der Magnetspulenanordnung eine oder mehrere Windungen des ersten Halbbands aufgewickelt, und b2) von der zweiten Zwischenspule werden auf denselben Wickelkörper eine oder mehrere Windungen des zweiten Halbbands aufgewickelt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ein maschinell gut umsetzbares Wickelverfahren, mit dem die beiden Halbbänder eines geschlitzten Leiters auf einen gemeinsamen Wickelkörper (auch als Wickelkern bezeichnet) gewickelt werden können. Dazu werden in Schritt a) die beiden Halbbänder zunächst auf jeweils eine eigene Zwischenspule umgespult. Dadurch wird es möglich, auf einfache Weise anschließend beim eigentlichen Wickeln der Magnetspulenanordnung in Schritt b) ein oder mehrere Windungen des ersten Halbbands im zeitlichen Wechsel mit einer oder mehreren Windungen des zweiten Halbbands auf denselben Wickelkörper aufzuwickeln. Durch dieses Vorgehen wird eine kompakte Magnetanordnung, die beide Halbbänder trägt und dadurch für besonders starke Magnetfelder geeignet ist, erhältlich.
• Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine praktisch beliebige Verteilung von Windungen der beiden Halbbänder auf dem gemeinsamen Wickelkörper. Insbesondere ist es leicht möglich, Windungen von beiden Halbbändern so auf dem Wickelkörper anzuordnen, dass die von den beiden Halbbändern erzeugten Magnetfelder sich vollständig addieren. Ebenso können Lagen mit einer Vielzahl von helixförmig gewickelten Windungen gefertigt werden. Dadurch ist es möglich, mit der Magnetanordnung auch axial ausgedehnte Magnetfelder hoher Homogenität zu erzeugen.
• Der bandförmige Leiter ist typischerweise supraleitend; bevorzugt weist der bandförmige Leiter ein Hochtemperatur-Supraleitermaterial (etwa YBCO) auf; besonders bevorzugt sind HTS-Materialien mit einer Sprungtemperatur von mehr als 40 K.
• Im Rahmen von Schritt b) wird zumindest ein Unterschritt des Typs b1) und ein Unterschritt des Typs b2) ausgeführt, so dass mindestens einmal zwischen den Unterschritten gewechselt werden muss. Bei einem Wechsel von einem Unterschritt des Typs b1) zu einem Unterschritt des Typs b2) (oder umgekehrt) wird die abzuwickelnde Zwischenspule gewechselt. Bevorzugt wird die abzuwickelnde Zwischenspule dabei nach dem Wickeln einer geraden Anzahl von Lagen gewechselt.
• Eine Lage bezeichnet eine Mehrzahl von axial benachbarten Windungen, die auf demselben Radius auf dem Wickelkörper (unmittelbar oder auch auf einer bereits auf den Wickelkörper gewickelten Lage) über zumindest einen Teil der axialen Länge des Wickelkörpers gewickelt sind, wobei die benachbarten Windungen (unmittelbar) elektrisch und mechanisch in Serie verbunden sind. Typischerweise sind die Windungen innerhalb einer Lage helixförmig gewickelt; es ist aber auch eine kreisförmige Wickelung über nahezu 360° mit einem jeweils zwei benachbarte Windungen verbindenden S-förmigen Drahtsegment („wiggle”) über den verbleibenden Winkel möglich. Man beachte, dass der Wickelkörper (und auch die Zwischenspulen) einen kreisförmigen Querschnitt oder auch einen anderen Querschnitt, etwa einen quadratischen oder polygonalen Querschnitt, aufweisen kann; der Begriff des Wickelradius steht allgemein für den Abstand zum magnetischen Zentrum der Magnetanordnung senkrecht zur Magnetfeldrichtung.
• Bevorzugte Varianten der Erfindung
• Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der zwischen Unterschritten des Typs b1) und des Typs b2) wenigstens zweimal, bevorzugt wenigstens viermal, gewechselt wird. Dadurch können auch komplexere Wickelabläufe realisiert werden. Insbesondere kann eine für beide Halbbänder näherungsweise gleiche Länge verwickelt werden (bei für beide Halbbänder gleicher Gesamtwindungszahl).
• Bei einer vorteilhaften Variante werden in Schritt a) die beiden Halbbänder jeweils mit einer Vielzahl von axial benachbarten Windungen helixförmig auf die Zwischenspulen aufgewickelt, insbesondere wobei die Umfänge der beiden Zwischenspulen identisch oder nahezu identisch zum Umfang des Wickelkörpers gewählt sind. Das helixförmige/lagenweise Bewickeln der Zwischenspulen ist vorteilhaft, weil der Wickelradius beim Abwickeln weniger variiert als bei Flachspulen. Die Umfänge aller drei Spulen sollten (unabhängig von der Art der Aufwicklung der Halbbänder auf den Zwischenspulen) während des gesamten eigentlichen Wickelvorgangs (Schritt b) annähernd gleich sein, damit sich die Zwischenspulen bei einer Bewegung auf einer kreisförmigen Bahn um den Wickelkörper nicht oder jedenfalls nicht wesentlich um ihre eigene Achse drehen. Bei rotierendem Wickelkörper sollen sich dieser und die aktive Zwischenspule möglichst synchron drehen, ohne dass sich deren Abstand wesentlich ändert. Bevorzugt unterscheiden sich die Umfänge der Zwischenspulen und des Wickelkörpers unter Einbeziehung der Dicke der aufgewickelten Lagen zu jedem Zeitpunkt des eigentlichen Wickelvorgangs (Schritt b) um maximal 1%, bevorzugt maximal 0,5%, besonders bevorzugt maximal 0,2%. Bei hinreichend wenigen übereinander gewickelten Lagen und/oder geringen Banddicken können die aufgewickelten Lagen vernachlässigt werden, und die auftretenden Wickelradiendifferenzen erfordern keine Ausgleichsmaßnahmen. In der Regel werden Zwischenspulenumfang und Wickelkörperumfang (jeweils ohne gewickelte Lagen) identisch oder mit einer maximalen Differenz von 1%, bevorzugt 0,5%, besonders bevorzugt 0,2%, gewählt. Die Querschnitte der Zwischenspulen und des Wickelkörpers sind bevorzugt kreisförmig gewählt.
• Besonders bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass in Schritt a) das Aufwickeln der beiden Zwischenspulen gleichzeitig erfolgt, insbesondere wobei die beiden Zwischenspulen koaxial oder nahezu koaxial angeordnet sind und synchron gedreht werden. Das gleichzeitige Aufwickeln der beiden Zwischenspulen erspart in der Regel eine Zwischenlagerung von Halbband. Bei koaxialer Anordnung und synchroner Drehung kann für beide Zwischenspulen ein einziger Antrieb (meist ein Elektromotor) eingesetzt werden. Typischerweise werden die beiden Halbbänder auf den beiden rotierenden Zwischenspulen bezüglich der Gangrichtung in axial entgegengesetzte Richtungen aufgewickelt.
• Ebenfalls bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der in Schritt a) ein die beiden Halbbänder verbindender Endbereich bei jeder Umdrehung der Zwischenspulen sich zwischen den beiden Halbbändern hindurchbewegt. Der Endbereich des bandförmigen Leiters („Doppelbandes”), mit dem das Umwickeln auf die Zwischenspulen beginnt, wird so an diese beiden Zwischenspulen angesetzt, dass der Endbereich bei jeder Umdrehung dieser Spulen einmal durch den Schlitz des Doppelbandes hindurch schlüpft. Damit wird die topologisch notwendige Verdrillung der beiden Halbbänder beim Umwickeln erzeugt. Man beachte, dass die Zwischenspulen typischerweise synchron rotieren.
• Bei einer vorteilhaften Variante werden in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt jeweils eine Vielzahl von axial benachbarten Windungen helixförmig auf den Wickelkörper zu mindestens einer Lage aufgewickelt, insbesondere mit wenigstens fünf axial benachbarten Windungen je Lage. Durch das helixförmige Wickeln lassen sich höhere Windungszahldichten erzielen als z. B. durch Stapeln mehrerer Flachspulen. Die Zahl der Wechsel zwischen Unterschritten kann durch lagenweises Wickeln reduziert werden.
• Man beachte, dass für diese Variante (und die nachfolgenden Varianten) grundsätzlich ein beliebiger Teil aller Unterschritte unabhängig vom Typus oder auch alle Unterschritte gewählt werden können.
• Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt von der jeweiligen Zwischenspule jeweils eine oder mehrere Doppellagen des Halbbands auf den Wickelkörper der Magnetspulenanordnung aufgewickelt werden. Die beiden Lagen einer jeweiligen Doppellage werden unmittelbar (ohne Zwischenschicht des anderen Halbbands) aufeinander gewickelt, wobei sich die axiale Wickelrichtung zwischen den beiden Lagen der Doppellage umkehrt (wickeln „hin und zurück”); dadurch können Anfang und Ende einer Doppellage an gleicher axialer Position (typischerweise an einem axialen Ende der Magnetspulenanordnung) liegen, wodurch der Gesamtprozess vereinfacht wird. Verknotungen der Halbbänder werden vermieden.
• Bei einer anderen, vorteilhaften Weiterentwicklung der obigen Verfahrensvariante werden in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt eine oder mehrere Lagen über die volle axiale Länge des Wickelkörpers auf diesen gewickelt. Dadurch werden Halbbandwechsel axial innerhalb der Länge des Wickelkörpers vermieden, wodurch im Einzelfall mechanische Belastungen des Leiters verringert werden können.
• Eine weitere Weiterentwicklung der obigen Verfahrensvariante sieht vor, dass in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt b1) eine oder mehrere Lagen nur über einen Teilabschnitt der axialen Länge des Wickelkörpers auf diesen gewickelt werden, und dass in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt b2) eine oder mehrere Lagen nur über einen weiteren Teilabschnitt der axialen Länge des Wickelkörpers gewickelt werden. Durch diese Ausführungsform kann die Verteilung der Windungen der beiden Halbbänder in der Magnetspulenanordnung freier gestaltet werden. Erster Teilabschnitt und weiterer Teilabschnitt sind in axialer Richtung nicht überlappend. Die axiale Länge des Wickelkörpers kann grundsätzlich in beliebig viele Teilabschnitte (insbesondere auch drei oder mehr) aufgeteilt werden, die jeweils mit eigenen Wickelpaketen belegt sind.
• Bei einer weiteren Weiterentwicklung der obigen Verfahrensvariante werden in Schritt b) Lagen des ersten und des zweiten Halbbands radial übereinander auf den Wickelkörper gewickelt. Dadurch können die Windungen der verschiedenen Halbbänder im axial identischen Bereich Magnetfeld erzeugen.
• Eine andere, besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass vor Schritt a) die beiden Halbbänder bei einem der Endbereiche gegeneinander verdrillt werden, insbesondere um insgesamt 180°, und dergestalt verdrillt zum Aufwickeln an die Zwischenspulen angelegt werden, und dass nach Schritt a) die Zwischenspulen so gegeneinander verkippt werden, dass die Verdrillung der Halbbänder bei diesem Endbereich wieder aufgehoben wird. Dadurch ist die fertig gewickelte Magnetspulenanordnung frei von Verdrillungen der Halbbänder; die entsprechend verringerte mechanische Belastung der Halbbänder führt zu größeren Stromtragfähigkeiten und damit größeren Magnetfeldstärken. Die Vorverdrillung vor und während Schritt a) führt bei ausreichender Länge der Zulaufstrecken (etwa zwischen einer Lagerspule und den beiden Zwischenspulen) nicht zu einer Beschädigung des bandförmigen Leiters; typischerweise ist die Zulaufstrecke wenigstens fünfzigmal länger als die Breite eines Halbbands.
• Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der in Schritt a) der geschlitzte bandförmige Leiter von einer Lagerspule abgewickelt wird, auf der die beiden Halbbänder axial nebeneinander angeordnet sind, insbesondere wobei die Lagerspule als Flachspule ausgewählt ist. Dadurch ist ein einfacher Umspulvorgang möglich. Alternativ kann auch der bandförmige Leiter unmittelbar vor dem Umspulen auf die Zwischenspulen geschlitzt werden, etwa durch Laserschneiden.
• Ebenfalls bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der während Schritt b) die Zwischenspulen und der Wickelkörper zumindest im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Dadurch kann eine Verkippung von Halbband beim Umwickeln weitgehend vermieden werden.
• Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass in den Unterschritten des Typs b1) und b2) jeweils
• – eine der Zwischenspulen koaxial zum Wickelkörper angeordnet und mit dem Wickelkörper mechanisch verkoppelt wird, und die andere Zwischenspule radial beabstandet aber parallel zum Wickelkörper angeordnet wird,
• – und durch eine Rotation des Wickelkörpers zusammen mit der einen Zwischenspule und eine dazu synchrone Rotation der anderen Zwischenspule Halbband von der anderen Zwischenspule auf den Wickelkörper umgewickelt wird,
• – wobei je Rotation des Wickelkörpers ein Bandabschnitt, der die beiden Zwischenspulen miteinander verbindet, einmal axial außen am Wickelkörper vorbei an der der einen Zwischenspule abgewandten Seite geführt wird, und einmal axial außen an der anderen Zwischenspule vorbei an der der einen Zwischenspule zugewandten Seite geführt wird. Diese Variante kann auf relativ geringem Raum ausgeführt werden, und basiert auf leicht durchzuführenden Rotationen der Spulen. Der Wickelkörper mitsamt der einen Zwischenspule wird dabei bevorzugt an der dem Wickelkörper abgewandten axialen Seite der einen Zwischenspule gehalten und angetrieben, wohingegen die andere Zwischenspule an ihrer der einen Zwischenspule abgewandten axialen Seite gehalten und angetrieben wird. Bei einem Wechsel zwischen Unterschritten b1) und b2) werden typischerweise zwei der drei Spulen (meist die Zwischenspulen) räumlich versetzt. Bevorzugt sind die drei Spulen (mit ihren Achsen) alle horizontal ausgerichtet. Der Bandabschnitt, welcher die beiden Zwischenspulen verbindet, umfasst typischerweise einen der Endbereiche des Leiters. Der Bandabschnitt, welcher die beiden Zwischenspulen verbindet, kann mittels eines Bügels, der an der anderen Zwischenspule befestigt ist und mit dieser rotiert, geführt werden, wobei der Bügel während eines Umlaufs auch um den Wickelkörper schwenkt und diesen dabei axial seitlich auf der der einen Zwischenspule abgewandten Seite umgreift.
• Eine andere, bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass in den Unterschritten des Typs b1) und b2) jeweils
• – eine der Zwischenspulen relativ zum Wickelkörper auf einer Kreisbahn geführt wird und die andere Zwischenspule dabei in Ruhe verbleibt,
• – wobei je Umlauf ein Bandabschnitt des Leiters, welcher die beiden Zwischenspulen verbindet, einmal axial außen am Wickelkörper vorbei geführt wird,
• – und wobei je Umlauf die eine Zwischenspule einmal axial innen an einem Bandabschnitt des Leiters, welcher die andere Zwischenspule und den Wickelkörper verbindet, vorbei geführt wird. Typischerweise ist der Wickelkörper ortsfest, und die Zwischenspulen umkreisen im Wechsel den Wickelkörper. Der Bandabschnitt des Leiters, welcher die beiden Zwischenspulen miteinander verbindet, umfasst typischerweise einen der Endbereiche des Leiters; das Führen des Bandabschnitts kann mit einem Bügel, der am Wickelkörper befestigt ist, vereinfacht werden. Bevorzugt sind die Spulen mit ihren Achsen alle vertikal oder alle horizontal ausgerichtet. Bei dieser Variante ist zu jeder Zeit lediglich eine Spule in Bewegung, was im Einzelfall die Verfahrenssteuerung vereinfachen kann.
• In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Magnetspulenanordnung aus einem bandförmigen Leiter, welcher mit Ausnahme seiner beiden Endbereiche in Längsrichtung geschlitzt ist, so dass der bandförmige Leiter ein erstes und ein zweites Halbband und zwei diese Halbbänder zu einer geschlossenen Schleife verbindende Endbereiche aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine Windung des ersten Halbbands und mindestens eine Windung des zweiten Halbbands auf einem gemeinsamen Wickelkörper aufgewickelt sind, insbesondere wobei die Magnetspulenanordnung mit einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren gewickelt ist. Die erfindungsgemäße Magnetspulenanordnung kann leicht maschinell gefertigt werden. In der Regel ist die Magnetspulenanordnung supraleitend; sie wird bevorzugt im supraleitenden Kurzschluss (”persistent mode”) betrieben und gestattet so die Erzeugung hoher und zeitlich konstanter Magnetfelder. Erfindungsgemäße Magnetspulenanordnungen können insbesondere in der NMR-Spektroskopie und in der bildgebenden NMR eingesetzt werden.
• Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung, bei der der geschlitzte, bandförmige Leiter ein Hochtemperatur-Supraleitermaterial aufweist, insbesondere wobei der bandförmige, geschlitzte Leiter ein YBCO-beschichteter Leiter ist. Durch die Nutzung von HTS-Materialien können besonders hohe Magnetfeldstärken erzeugt werden, oder es kann ein Betrieb bei vergleichsweise hohen Temperaturen erfolgen und so der Kühlaufwand reduziert werden (etwa bei einer Kühlung mit kostengünstigem flüssigem Stickstoff anstatt mit teurem flüssigem Helium).
• Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die beiden Halbbänder in Lagen helixförmig auf dem Wickelkörper aufgewickelt sind, wobei jede Lage eine Vielzahl von axial benachbarten Windungen umfasst, insbesondere wenigstens fünf axial benachbarten Windungen. Damit können leicht solenoidförmige Magnetspulenanordnungen gefertigt werden, mit denen starke Magnetfelder hoher Homogenität in einem ausgedehnten Bereich erhalten werden können.
• Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der Lagen des ersten und des zweiten Halbbands radial übereinander auf den Wickelkörper gewickelt sind. Dadurch kann eine besonders gute Überlappung der Magnetfelder der Windungen des ersten und des zweiten Halbbands und damit eine besonders hohe Magnetfeldstärke erreicht werden.
• Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die radiale Abfolge von Lagen des ersten Halbbands und des zweiten Halbbands so gewählt ist, dass in den Lagen der Magnetspulenanordnung eine näherungsweise gleiche Länge des ersten Halbbands und des zweiten Halbbands verwickelt ist, insbesondere wobei die radiale Abfolge einen oder mehrere Abschnitte enthält, in denen N Lagen des ersten Halbbands, sodann 2N Lagen des zweiten Halbbands, und sodann wieder N Lagen des ersten Halbbands radial aufeinander folgen, mit N: Lagengrundzahl des Abschnitts, wobei N ∊ IN. Im Allgemeinen entstehen durch Schlitzung eines bandförmigen Leiters gleiche Halbbandlängen. Durch die gleiche verwickelte Halbbandlänge können störende, nicht aufgewickelte Restabschnitte eines Halbbands vermieden werden.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
• Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
• Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines aufgewickelten, geschlitzten bandförmigen Leiters, wie er in einer erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung verwendet werden kann;
• 2 eine schematische Darstellung des Umspulens eines geschlitzten, bandförmigen Leiters von einer Lagerspule auf zwei Zwischenspulen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
• 3a eine schematische Darstellung des Wickelns eines Halbbandes von einer Zwischenspule auf einen Wickelkörper gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens („Planetenwicklung”);
• 3b eine schematische Darstellung einer Untervariante der ersten Verfahrensvariante von 3a, wobei eine nicht-aktive Zwischenspule axial benachbart zum Wickelkörper angeordnet wird;
• 4a, 4b schematische Aufsicht-Darstellungen des Wickelns eines Halbbands von der ersten Zwischenspule (4a) und von der zweiten Zwischenspule (4b) auf den gemeinsamen Wickelkörper gemäß der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 5a–5d Wickelschemata verschiedener, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wickelbarer erfindungsgemäßer Magnetspulenanordnungen, mit jeweils über die gesamte Länge des Wickelkörpers gewickelten Lagen und gleich langen verwickelten Halbbändern (5a, 5b), mit blockweise gewickelten Halbbändern (5c), und ohne Gang gewickelten Halbbändern (5d);
• 6 eine schematische Darstellung einer aus vier radial aufeinander liegenden Wickelpaketen aus jeweils einem Halbband mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewickelten erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung einschließlich Halbbandübergängen zwischen entsprechenden Blöcken;
• 7 eine schematische Darstellung des Wickelns eines Halbbandes von einer Zwischenspule auf einen Wickelkörper gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit horizontalen Spulen („Synchronrotation”);
• 8 eine schematische Darstellung des Wickelns eines Halbbandes von einer Zwischenspule auf einen Wickelkörper gemäß der zweiten Variante, mit Verwendung eines Bügels;
• 9a–9h eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs des Wickelns eines Halbbandes von einer Zwischenspule auf einen Wickelkörper gemäß der ersten Variante über einen Umlauf der Zwischenspule;
• 10a–10h eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs des Wickelns eines Halbbandes von einer Zwischenspule auf einen Wickelkörper gemäß der Untervariante (3b) der ersten Variante über einen Umlauf der Zwischenspule;
• 11a–11h eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs des Wickelns eines Halbbandes von einer Zwischenspule auf einen Wickelkörper gemäß der zweiten Variante über eine volle Rotation der Zwischenspule, mit horizontalen Spulen;
• 12 eine schematische Darstellung eines Ausgleichsmechanismus für unterschiedliche Umdrehungszahlen von Zwischenspule und Wickelkörper während eines erfindungsgemäßen Wickelprozesses aufgrund merklich veränderlicher Wickelradien.
• Die 1 zeigt in schematischer Darstellung einen bandförmigen Leiter 1, der beispielsweise auf einem flexiblen Stahlsubstrat eine Pufferschicht (buffer layer) aus CeO₂, eine supraleitende Schicht aus YBCO-Material, eine Deckschicht (capping layer) aus Gold und eine Stabilisierungsschicht (shunt layer) aus Kupfer trägt. Der bandförmige Leiter 1 ist mit Ausnahme von zwei Endbereichen (Endabschnitten) 2, 3 entlang seiner Längsrichtung geschlitzt, so dass er über den größten Teil seiner Länge in zwei Halbbänder 4, 5 zerfällt. Zur besseren Unterscheidung ist ein erstes Halbband 4 mit Strichen (schraffiert) markiert, und ein zweites Halbband 5 mit Punkten markiert; diese Markierung ist auch in den folgenden Figuren verwendet.
• Die Halbbänder 4, 5 bilden über die beiden Endbereiche 2, 3 eine geschlossene Leiterschleife aus. Im Rahmen der Erfindung werden die Halbbänder 4, 5 in weiter unten näher dargestellter Weise auf einen gemeinsamen Wickelkörper (nicht in 1 dargestellt) gewickelt, so dass eine Magnetspulenanordnung entsteht, in deren Innerem ein starkes, homogenes und zeitlich stabiles Magnetfeld erzeugt werden kann.
• Die beiden Halbbänder 4, 5 sind hier jeweils helixförmig aufgewickelt, wobei die Helix des zweiten Halbbands 5 radial außerhalb der Helix des ersten Halbbands 4 angeordnet ist, und wobei die Helices koaxial um eine Magnetfeldachse MA positioniert sind. Falls durch die durch den Leiter 1 gebildete Leiterschlaufe ein geschlossener Kreisstrom fließt (siehe die Pfeile in 1), erzeugen die Ströme in den beiden Halbband-Helices Magnetfelder, die gleich gerichtet sind und einander verstärken; das gesamte Magnetfeld im Inneren der Magnetspulenanordnung ist im Wesentlichen parallel zur Magnetfeldachse MA ausgerichtet und bezüglich der Magnetfeldachse MA zentriert.
• Für eine bessere Erkennbarkeit der einzelnen Halbbänder 4, 5 ist der Wickelradius des zweiten Halbbands 5 vergrößert dargestellt. Bei straffer Wicklung auf einen Wickelkörper (vgl. 3a, 3b, 7, 8) wird nur geringfügig mehr Halbband 5 als Halbband 4 auf dem Wickelkörper verwickelt, was nötigenfalls an den Endbereichen 2, 3 ausgeglichen werden kann. Man beachte, dass durch geeignete Lagenabfolgen eine gleiche Wickellänge der beiden Halbbänder 4, 5 eingerichtet werden kann (vgl. dazu 5a–5d).
• Die 2 illustriert eine Möglichkeit, Schritt a) des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens, also das Umspulen der Halbbänder auf zwei Zwischenspulen, durchzuführen.
• Auf einer Lagerspule 6, die hier als Flachspule mit vertikaler Achse LA ausgebildet ist, ist der bereits geschlitzte bandförmige Leiter 1 mit dem ersten Halbband 4 direkt neben dem zweiten Halbband 5 aufgewickelt. Die Länge des vorbereiteten, geschlitzten bandförmigen Leiters 1 entspricht der für die herzustellende Magnetspulenanordnung benötigten Länge zuzüglich etwas Reserve. Die beiden Halbbänder 4, 5 werden auf eine erste Zwischenspule 14 und eine zweite Zwischenspule 15 umgewickelt. Die beiden hier horizontal ausgerichteten Zwischenspulen 14, 15 können koaxial angeordnet und über einen gemeinsamen Antrieb (nicht näher dargestellt) synchron um ihre gemeinsame Achse GZA gedreht werden; gleichzeitig wird die Lagerspule 6 um ihre Achse LA gedreht.
• Der Endbereich (Endabschnitt) 3 des bandförmigen Leiters 1 wurde gemäß der Erfindung so an die Zwischenspulen 14, 15 angelegt, dass die Halbbänder um 180° gegeneinander verdrillt sind, vgl. verdrillter Abschnitt 7. Der verdrillte Abschnitt 7 ist ausreichend lang gewählt, so dass die Verdrillung nicht zu einer Beschädigung des bandförmigen Leiters 1 führt (meist mit einer Länge des verdrillten Abschnitts 7 von wenigstens fünfzigmal der Breite B eines Halbbands). Der Endbereich 3 und der verdrillte Abschnitt 7 werden bei jedem Umlauf im Bereich zwischen den Zwischenspulen 14, 15 bzw. zwischen den zulaufenden Halbbändern 4, 5 mitgeführt (siehe den von Endbereich 3 abgehenden Pfeil).
• Auch im Bereich der Zuführung 8 der Halbbänder 4, 5 sind diese um insgesamt 180° gegeneinander verdreht; das erste Halbband 4 ist dazu um 90° nach links, und das zweite Halbband 5 um 90° nach rechts verkippt. Der Bereich der Zuführung 8 ist wiederum so lange gewählt, dass eine mechanische Beschädigung des bandförmigen Leiters 1 nicht zu erwarten ist (meist mit einer Länge der Zuführung 8, hier von der letzten Umlenkrolle zur jeweiligen Zwischenspulenoberfläche, von wenigstens fünfzigmal der Breite B eines Halbbands).
• Nach Ende des Umspulvorgangs werden die beiden Zwischenspulen 14, 15 so verkippt, dass die Verdrillungen wieder aufgehoben werden, wobei hier die äußeren Enden der Zwischenspulen 14, 15 jeweils nach oben auf die jeweils andere Zwischenspule 14, 15 zu verschwenkt werden. Die erfindungsgemäße Verdrillung bei Schritt a) ist somit nur vorübergehend.
• Von den aufgewickelten Zwischenspulen können sodann die Halbbänder auf einen Wickelkörper in einem Schritt b) zur eigentlichen Magnetspulenanordnung gewickelt werden. Die 3a illustriert dazu in einer ersten Verfahrensvariante („Planetenwicklung”) einen ersten Unterschritt b1).
• Nachdem ein Endbereich (hier der Endbereich 2) mit einer ausreichenden Länge eines Abschnitts für Spiel 10 an einen Wickelkörper 9 angelegt wurde, wird die erste Zwischenspule 14 auf einer Kreisbahn KB um den ruhenden Wickelkörper 9 (bzw. dessen Achse WA) geschwenkt (siehe Pfeil); die Zwischenspule 14 und der Wickelkörper 9 sind dabei parallel ausgerichtet. Durch die Schwenkbewegung wird Halbband 4 von der ersten Zwischenspule 14 („aktive Spule”) auf den Wickelkörper 9 umgewickelt. Die erste Zwischenspule 14 und der Wickelkörper 9 weisen einen näherungsweise gleichen Umfang auf, so dass die erste Zwischenspule 14 bei dieser Bewegung nicht um ihre Achse ZA zu rotieren braucht, und auch der Wickelkörper 9 nicht um seine Achse WA zu rotieren braucht. Die zweite Zwischenspule 15, die zu den Spulen 14, 9 parallel angeordnet ist, ist während dieses Umwickelns in Ruhe („nicht-aktive Spule”).
• Während eines Umlaufs der ersten Zwischenspule 14 schlüpft diese unter einem Bandabschnitt 13a (umfassend den vorderen Endbereich 2 und den Abschnitt für Spiel 10) durch; mit anderen Worten, die Zwischenspule 14 wird axial innen am Bandabschnitt 13a vorbei geführt. Ebenfalls wird ein weiterer Bandabschnitt 13b (hier umfassend einen Abschnitt für Spiel 11 und den hinteren Endbereich 3), der die Zwischenspulen 14, 15 miteinander verbindet, unter dem Wickelkörper 9 durchgeführt. Die erste Zwischenspule 14 kann von unten geführt und gehalten werden, und der Wickelkörper 9 kann von oben gehalten werden.
• Wenn die gewünschte Zahl von Windungen auf den Wickelkörper 9 gewickelt ist (in 3a sind bislang zwei Windungen 12a, 12b auf dem Wickelkörper 9 vollständig gewickelt), wird die aktive (Zwischen-)Spule gewechselt, d. h. die erste Zwischenspule 14 bleibt sodann in Ruhe, und die zweite Zwischenspule 15 bewegt sich sodann auf einer Kreisbahn um den Wickelkörper 9, entsprechend einem Unterschritt b2).
• Die 3b illustriert eine Untervariante zur ersten Verfahrensvariante, bei der die nicht-aktive, zweite Zwischenspule 15 koaxial zum Wickelkörper 9 oberhalb von diesem angeordnet ist. Die Kreisbewegung der ersten Zwischenspule 14 ist mit der Kreislinie KB markiert; die übrigen Spulen 9, 15 bleiben derweil in Ruhe. Auch in diesem Fall schlüpft die aktive, erste Zwischenspule 14 unter dem Bandabschnitt 13a durch, und ein Teil des Bandabschnitts 13b im Bereich zwischen Zwischenspule 14 und Endbereich 3 wird unter dem Wickelkörper 9 entlang geführt. Vorteilhafterweise ist das Halbband zwischen Zwischenspule 14 und Endbereich 3 zur besseren Führung ausgesteift, etwa durch Befestigung an oder in einem Bügel (vgl. den Bügel 30 in 3b, strichliert dargestellt, der hier den Halbbandabschnitt 13b im Bereich eines Knies 26 hält). Der übrige Teil des Bandabschnitts 13b (etwa zwischen der Zwischenspule 15 und dem Bereich des Knies 26) wird während der Kreisbewegung verformt (d. h. seine Flexibilität wird beansprucht); so kann beispielsweise der Bereich des Knies 26 im Bandabschnitt 13b eine Kreisbahn KB2, die im Wesentlichen der Kreisbahn KB entspricht, jedoch von dieser radial beabstandet ist, nachzeichnen, während die große Schlaufe des Bandabschnitts 13b (in 3b links vorne) verengt und geweitet wird. Man beachte, das dabei das Knie 26 stets rechts vor dem Wickelkörper 9 bleibt.
• Die beiden Unterschritte b1) und b2) für die erste Verfahrensvariante sind in 4a und 4b in Aufsicht näher erläutert.
• 4a fasst die in 3a erläuterten Bewegungen von Unterschritt b1) zusammen: Die erste Zwischenspule 14 verfährt auf der Kreisbahn KB um den ruhenden Wickelkörper 9, wobei Halbband 4 auf den Wickelkörper 9 umgewickelt wird, während die zweite Zwischenspule 15 ruht.
• Im Unterschritt von b2), illustriert in 4b, verfährt die zweite Zwischenspule 15 auf einer Kreisbahn KB um den Wickelkörper 9, wobei zweites Halbband 5 auf den Wickelkörper 9 umgewickelt wird, während die erste Zwischenspule 14 ruht.
• In der Illustration der 3 bis 4b sind die drei Spulen 9, 14, 15 vertikal orientiert; man beachte, dass die Spulen 9, 14, 15 auch alle horizontal orientiert sein können. Bevorzugt sind aber in dieser Variante alle Spulen 9, 14, 15 parallel zueinander ausgerichtet.
• Die 5a bis 5d illustrieren verschiedene Wickelschemata, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens angewandt werden können, um entsprechende erfindungsgemäße Magnetspulenanordnungen zu fertigen. Ein durchgezogener Strich steht dabei jeweils für eine Windung von erstem Halbband 4, und ein gepunkteter Strich steht für eine Windung von zweitem Halbband 5.
• Im Wickelschema der Magnetspulenanordnung 20 von 5a wird zunächst auf dem Wickelkörper 9 eine Doppellage DL über die gesamte Länge L des Wickelkörpers 9 mit erstem Halbband 4 gewickelt, d. h. es wird zunächst eine Lage LG (umfassend hier vier Windungen) vom oberen zum unteren Ende des Wickelkörpers 9 helixförmig gewickelt, und anschließend eine weitere Lage LG radial über diese Lage vom unteren Ende zum oberen Ende helixförmig gewickelt. Anschließend werden zwei Doppellagen DL mit dem zweiten Halbband 5 gewickelt, und schließlich noch eine Doppellage DL mit Halbband 4. Damit wird eine Unterschrittfolge b1) – b2) – b1) angewandt. Die Abfolge der (hier insgesamt acht) Lagen LG von innen nach außen in einem Schema N/2N/N (mit N: Anzahl der gewickelten Lagen LG in einem Unterschritt, auch genannt Lagengrundzahl, hier mit N = 2; der Schrägstrich „/” trennt die Unterschritte) bewirkt einen gleichen Verbrauch von erstem und zweitem Halbband 4, 5 unter näherungsweiser Berücksichtigung der Umfangszunahme mit zunehmendem Wickelradius. In 5a ist beispielhaft der Wickelradius WR (gemessen von der Wickelkörperachse WA aus) der radial äußersten Lage LG eingezeichnet. Das Schema kann auch für die Lagen LG einzeln notiert werden, hier etwa als EEZZZZEE (mit E: Lage des ersten Halbbands, Z: Lage des zweiten Halbbands).
• Es ist auch möglich, die Lagenabfolge N/2N/N mehrfach hintereinander (bzw. aufeinander) anzuwenden, wie die Magnetspulenanordnung 21 in 5b zeigt, wo diese Lagenabfolge zweimal (jeweils mit N = 2) aufeinander angewandt wurde. Man beachte, dass in verschiedenen Lagenabfolgen N auch unterschiedlich gewählt werden kann.
• In den Magnetspulenanordnungen 20, 21 gemäß den 5a und 5b sind Lagen LG des ersten und des zweiten Halbbands 4, 5 erfindungsgemäß radial übereinander gewickelt.
• In der Magnetspulenanordnung 22 von 5c wurde blockweise gewickelt. Vier Doppellagen des ersten Halbbands 4 (jeweils umfassend drei Windungen) wurden hier über einen ersten Teilabschnitt TA1 entsprechend der halben Länge L des Wickelkörpers 9 gewickelt. Weiterhin wurden vier Doppellagen des zweiten Halbbands 5 (ebenfalls jeweils umfassend drei Windungen) über einen weiteren Teilabschnitt TA2 entsprechend der verbleibenden halben Länge des Wickelkörpers 9 gewickelt. Diese Magnetspulenanordnung 22 kann mit einer Unterschrittfolge b1) – b2), also mit nur einem Wechsel der aktiven Spule (anlässlich dessen auch der zu wickelnde Teilabschnitt gewechselt wird), gewickelt werden; alternativ sind auch mehrere Wechsel möglich, etwa jeweils nach Wicklung einer Lage oder Doppellage eines Halbbands 4, 5.
• In 5d ist schließlich eine Magnetspulenanordnung 23 dargestellt, die als Doppel-Flachspule (d. h. ohne helixartigen Gang) gewickelt ist. Die beiden Flachspulenteile aus erstem Halbband 4 und zweitem Halbband 5, die auf demselben Wickelkörper 9 gewickelt sind, werden typischerweise mit nur einem Wechsel der aktiven Spule gefertigt.
• 6 zeigt schematisch die Stirnseite einer Magnetspulenanordnung 24 vom Typ eines lagengewickelten Solenoids, wobei Lagen des ersten und des zweiten Halbbands 4, 5 radial übereinander gewickelt sind, einschließlich Verbindungsabschnitten. Im radial innersten Wickelpaket (welches auf dem Wickelkörper 9 unmittelbar aufsitzt) ist erstes Halbband 4 verwickelt, im nächst äußeren Wickelpaket zweites Halbband 5, im nächst äußeren Wickelpaket wiederum erstes Halbband 4, und im radial äußersten Wickelpaket schließlich wieder zweites Halbband 5. Die Lagenabfolge (von innen nach außen) lautet hier N/N/N/N, mit der sich eine relativ einfache Abfolge von Verbindungsabschnitten ergibt. Die Verbindungsabschnitte (zwischen den jeweils übernächsten Wickelpaketen, aus demselben Halbband, bzw. an den Endbereichen) sind für eine bessere Erkennbarkeit fett eingezeichnet.
• 7 illustriert eine zweite Variante des Wickelns von erstem Halbband 4 von der ersten Zwischenspule 14 auf den Wickelkörper 9 (auch als Wickelkern bezeichnet) in einem Unterschritt b1) im Rahmen einer „Synchronrotation”.
• Die erste Zwischenspule 14 und der Wickelkörper 9 sind hier parallel zueinander, aber radial voneinander beabstandet angeordnet. Die zweite Zwischenspule 15 ist koaxial zum Wickelkörper 9 angeordnet. Die Zwischenspulen 14, 15 und der Wickelkörper 9 sind hier horizontal ausgerichtet.
• Die zweite Zwischenspule 15 und der Wickelkörper 9 (im Folgenden auch „Spulen 15, 9”) werden über eine in 7 linksseitige Halterung 16 gehalten und mechanisch verkoppelt; über diese Halterung 16 kann auch eine gemeinsame Rotation der Spulen 15, 9 angetrieben werden. Die erste Zwischenspule 14 wird über eine in 7 rechtsseitige Halterung 17 gehalten, über die auch eine zu den Spulen 15, 9 synchrone Rotation angetrieben werden kann. Alle Zwischenspulen 14, 15 und der Wickelkörper 9 weisen einen näherungsweise gleichen Umfang auf.
• Der vordere Endbereich 2 wird (unter Berücksichtigung eines Abschnitts für Spiel 10) an den Wickelkörper 9 angelegt. Zum Umspulen von erstem Halbband 4 von der ersten Zwischenspule 14 („aktive Spule”) auf den Wickelkörper 9 werden die erste Zwischenspule 14 einerseits und die beiden Spulen 15, 9 andererseits in Rotation (hier im Uhrzeigersinn) versetzt.
• Ein Bandabschnitt 18 (enthaltend den Endbereich 2 und den diesem Endbereich 2 nahen Halbbandabschnitt für Spiel 10) des bandförmigen Leiters, welcher die zweite (nicht-aktive) Zwischenspule 15 mit dem Wickelkörper 9 verbindet, wird mit den Umläufen der Spulen 15, 9 einfach mitgeführt, typischerweise wobei der Bandabschnitt 18 radial nahe an den beiden Spulen 15, 9 gehalten wird. Ein weiterer Bandabschnitt 19 (enthaltend den Endbereich 3 und den diesem Endbereich 3 nahen Halbbandabschnitt für Spiel 11), welcher die beiden Zwischenspulen 14, 15 verbindet, wird bei jedem Umlauf der ersten Zwischenspule 14 (was auch jeweils genau einem Umlauf der Spulen 15, 9 entspricht) einmal um den Wickelkörper 9 und den Abschnitt des Halbbands 4 zwischen erster Zwischenspule 14 und Wickelkörper 9 herum geführt. Dabei passiert der Bandabschnitt 19 den Wickelkörper 9 an seiner rechten Seite (also axial neben dem Wickelkörper 9, an der der zweiten Zwischenspule 15 abgewandten Seite).
• Beim Umspulen des ersten Halbbands 4 von der ersten Zwischenspule 14 zum Wickelkörper 9 bleiben die Bandabschnitte 18, 19 gleich lang; es findet also bei den Verbindungen zwischen den beiden Zwischenspulen 14, 15 bzw. zwischen der nicht-aktiven Zwischenspule 15 und dem Wickelkörper 9 keine Ab- oder Aufwicklung statt.
• Für einen Wechsel der aktiven Spule, also einen Wechsel von einem Unterschritt b1) zu einem Unterschritt b2), können die erste und die zweite Zwischenspule 14, 15 ihren Platz tauschen; beim Umspulen des zweiten Halbbands 5 im Unterschritt b2) wird dann gegen den Uhrzeigersinn rotiert.
• Man beachte, dass in späteren Unterschritten b1), b2) ein die nicht-aktive Zwischenspule und den Wickelkörper 9 verbindender Halbbandabschnitt in der Regel keinen Endbereich mehr enthält. Vom vorderen Endbereich 2 ausgehend wurde dann bereits sowohl erstes Halbband 4 als auch zweites Halbband 5 auf den Wickelkörper 9 gewickelt, so dass dieser Endbereich 2 dann fest am Wickelkörper 9 ist (siehe auch 6).
• 8 illustriert für die in 7 vorgestellte Variante des Wickelns im Rahmen eines Unterschritts b1) mit rotierender aktiver Zwischenspule, hier erster Zwischenspule 14, und rotierendem Wickelkörper 9 („Synchronrotation”) eine Hilfskonstruktion, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden kann, um die Verfahrensführung zu erleichtern, und insbesondere ein Verheddern von Bandabschnitten zu verhindern.
• An der ersten Zwischenspule 14 ist ein Bügel 30 starr befestigt, der bei Rotation der ersten Zwischenspule 14 mit dieser um die Zwischenspulenachse ZA rotiert. Der Bandabschnitt 19, welcher die beiden Zwischenspulen 14, 15 miteinander verbindet, wird mit dem Bügel 30 (und teilweise innerhalb des Bügels 30) mitgeführt.
• Der Bügel 30 führt hier von einem axialen Ende der Zwischenspule 14, welches der zweiten Zwischenspule 15 abgewandt ist, zunächst radial weg und dann in axialer Richtung über zumindest den überwiegenden Teil der Länge (und bevorzugt über die gesamte Länge oder auch darüber hinaus) des Wickelkörpers 9 auf die zweite Zwischenspule 15 zu. Der vom Bügel 30 bei einem Umlauf der Zwischenspule 14 umschwenkte Raum hat einen ausreichend großen Radius RD, so dass der Wickelkörper 9 umschwenkt werden kann.
• Mittels des Bügels 30 wird somit der Bandabschnitt 19 sicher bei jedem Umlauf der ersten Zwischenspule 14 axial seitlich des Wickelkörpers 9 an dessen der nicht-aktiven zweiten Zwischenspule 15 abgewandten Seite vorbeigeführt; 8 zeigt den Bügel 30 gerade in einer solchen Position. Ebenso wird bei jedem Umlauf der ersten Zwischenspule 14 der Bandabschnitt 19 mittels des Bügels 30 axial seitlich der ersten Zwischenspule 14 an deren der nicht-aktiven zweiten Zwischenspule 15 zugewandten Seite vorbeigeführt; dies geschieht in einer gegenüber der in 8 gezeigten Position um ca. 180° verschwenkten Position des Bügels 30.
• Die 9a bis 9h illustrieren den zeitlichen Ablauf eines Umlaufs der aktiven Zwischenspule 14 auf einer Kreisbahn KB um den ruhenden Wickelkörper 9 im Rahmen der auf „Planetenwicklung” beruhenden ersten Verfahrensvariante (vgl. 3a, von unten betrachtet) in einer schematischen, stirnseitigen Ansicht. Bandabschnitt 13b verbindet die beiden Zwischenspulen 14, 15.
• Das Halbband 4 wird durch die Bewegung der Zwischenspule 14 auf der Kreisbahn KB von der Zwischenspule 14 abgewickelt und auf dem Wickelkörper 9 aufgewickelt; die zweite Zwischenspule 15 und der Wickelkörper 9 ruhen. In 9b ist ersichtlich, wie der Bandabschnitt 13b axial am Wickelkörper 9 vorbei geführt wird.
• Die 10a bis 10h illustrieren weiterhin den zeitlichen Ablauf eines Umlaufs der aktiven Zwischenspule 14 auf der Kreisbahn KB um den ruhenden Wickelkörper 9 in der Untervariante der ersten Verfahrensvariante (vgl. 3b, wiederum von unten gesehen). Die nicht-aktive Zwischenspule 15 ist hinter dem Wickelkörper 9 angeordnet und daher in den Figuren verdeckt.
• Der Endbereich 3 wird hier mit einem Bügel 30, welcher an der aktiven Spule 14 befestigt ist, geführt. Die Position des Endbereichs 3 entspricht in radialer Hinsicht in etwa der Position des Knies (Bzz. 26 aus 3b), vgl. dazu die Kreisbahn KB2.
• Im Übergang von 10h nach 10a und 10b ist zu sehen, wie ein Teil des Bandabschnitts 13b, nämlich im Bereich des Bügels 30, am Wickelkörper 9 vorbei geführt wird. Der übrige Bandabschnitt 13b, ähnlich einer großen Schlaufe, wird nur verengt und geweitet, nicht jedoch über den Bereich des Wickelkörpers 9 geführt.
• Die 11a bis 11h illustrieren in einer schematischen, stirnseitigen Ansicht den zeitlichen Ablauf eines Rotationsumlaufs der aktiven Zwischenspule 14 im Rahmen einer „Synchronrotation”, wobei mittels eines Bügels 30 der Bandabschnitt 19 geführt wird (vgl. 8, von vorne links gesehen). Der Bandabschnitt 19 verbindet die erste Zwischenspule 14 und die zweite Zwischenspule 15, die hinter dem Wickelkörper 9 angeordnet und von diesem in den 11a–11h verdeckt ist.
• Im Rahmen der synchronen Rotation von Zwischenspule 14 und Wickelkörper 9 wird Halbband 4 von der Zwischenspule 14 auf den Wickelkörper 9 umgespult (siehe Pfeil). Der Bügel 30 bewegt sich entsprechend der Rotation der Zwischenspule 14 mit. In 11a wird der Bandabschnitt 19 gerade axial seitlich am Wickelkörper 9 vorbeigeführt, und in 11h wird der Bandabschnitt 19 gerade axial seitlich an der aktiven ersten Zwischenspule 14 vorbeigeführt (gepunktet hinter der Zwischenspule 14).
• Kleine Wickeldradienunterschiede zwischen der aktiven Spule und dem Wickelkörper, die sich beispielsweise durch die Höhe von bereits auf- oder abgewickeltem Halbband ergeben, können in den vorgestellten Wickelverfahren durch eine veränderliche Straffung des Bandabschnitts zwischen aktiver Spule und Wickelkörper ausgeglichen werden. Auch ist es möglich, den radialen Abstand von aktiver Spule und Wickelkörper zu Ausgleichszwecken nachzuführen. 12 illustriert eine Ausgleichsmechanik, mit der auch größere Wickelradienunterschiede ausgeglichen werden können; die Ausgleichsmechanik wird am Beispiel der „Synchronrotation” erläutert.
• Bei der „Synchronrotation” sollten die aktive Zwischenspule und der Wickelkörper synchron rotiert werden. Insbesondere sollte ein Bügel 30 zur Führung eines Bandabschnitts, der die beiden Zwischenspulen verbindet, streng synchron zum Wickelkörper rotieren, um Verknotungen vorzubeugen.
• Die Ausgleichsmechanik von 12 unterteilt die aktive Zwischenspule in einen Endbereich 14a und einen Hauptbereich 14b. Der Endbereich 14a, an welchem auch der Bügel 30 befestigt ist, wird streng synchron mit dem Wickelkörper 9 gedreht. Der Hauptbereich 14b hingegen darf eine geringfügig andere Rotationsgeschwindigkeit aufweisen (angedeutet durch die Zusatz-Rotation φ, siehe Pfeil). Die beiden Bereiche 14a und 14b sind über ein bandführendes Ausgleichsrad 27 verbunden, welches um eine Ausgleichsradachse AA, die senkrecht zur Zwischenspulenachse ZA steht, rotierbar ist. Das Ausgleichsrad 27 ist dabei über ein Getriebe (nicht eingezeichnet) so angelenkt, dass es mit ungefähr der Hälfte der Rotationsgeschwindigkeitsdifferenz, also φ/2 (siehe Pfeil), um die Zwischenspulenachse ZA rotiert; der Abstand zur Zwischenspulenachse ZA und auch die relative Winkellage (Verkippung) ist dabei fest. Am Rand des Hauptbereichs 14b ist eine Ausgleichsflachspule 29 vorgesehen, und am Rand des Endbereichs 14a ist eine Ausgleichsflachspule 28 vorgesehen.
• Während eines Wickelprozesses wird Halbband vom Hauptbereich 14b auf einen (nicht dargestellten) Wickelkörper übertragen. Aufgrund des größeren Wickelradius der zunächst noch vollen Zwischenspule im Vergleich zum noch leeren Wickelkörper muss der Hauptbereich 14b zunächst langsamer drehen als der Wickelkörper und der Endbereich 14a. Dadurch wird Halbband von der Ausgleichsflachspule 29 über das Ausgleichsrad 27 auf die Ausgleichsflachspule 28 übertragen. Etwa ab der Mitte des Wickelprozesses, wenn der Wickelradius am Wickelkörper gleich groß und dann größer als der Wickelradius an der Zwischenspule geworden ist, muss der Hauptbereich 14b schneller drehen als der Wickelkörper und der Endbereich 14a. Dann wird Halbband wieder von der Ausgleichsflachspule 28 über das Ausgleichsrad 27 auf die Ausgleichsflachspule 29 übertragen. Schließlich kann auch das gesamte rückübertragene Halbband auf den Wickelkörper gewickelt werden. Während des Wickelprozesses können geeignete Steuerungssysteme oder Mechaniken sicherstellen, dass die erwünschten Zugspannungen im Halbband jederzeit erhalten bleiben.
• Die Halbbandlänge, die zu Beginn des Wickelprozesses an der Ausgleichsflachspule 29 vorgehalten werden muss, entspricht im Wesentlichen dem über den halben Wickelprozess auflaufenden Längenunterschied, der sich durch die unterschiedlichen Wickelradien in Folge der aufgewickelten Höhen auf der Zwischenspule und dem Wickelkörper bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit ergeben würde (einen gleichen Wickelradius ohne Band voraussetzend).
• Durch die Ausgleichsflachspulen 28, 29 wird eine Spreizung von Halbband im Bereich der Zuführungen zum Ausgleichsrad 27 über den Wickelprozess vermieden.
• Ein entsprechender Mechanismus kann auch bei der „Planetenwicklung” eingesetzt werden, wobei der Endbereich dann gar nicht um sich selbst rotiert, und der Hauptbereich eine geringfügige Rotation um sich selbst ausführt; Hauptbereich und Endbereich bewegen sich gemeinsam auf einer Kreisbahn um den ruhenden Wickelkörper.
• Bezugszeichenliste

1

bandförmiger Leiter

2, 3

Endbereiche des bandförmigen Leiters

4

erstes Halbband

5

zweites Halbband

6

Lagerspule

7

verdrillter Abschnitt

8

Zuführung

9

Wickelkörper

10, 11

Abschnitte für Spiel

12a, 12b

Windungen

13a, 13b

Bandabschnitte

14

(erste) Zwischenspule

14a

Endbereich der Zwischenspule

14b

Hauptbereich der Zwischenspule

15

(zweite) Zwischenspule

16, 17

Halterungen

18, 19

Bandabschnitte

20–24

Magnetspulenanordnungen

26

Knie

27

Ausgleichsrad

28, 29

Ausgleichsflachspulen

30

Bügel

AA

Achse des Ausgleichsrads

B

Breite des Halbbands

DL

Doppellage

GZA

gemeinsame Achse der Zwischenspulen

KB

Kreisbahn

KB2

Kreisbahn

L

Länge des Wickelkörpers

LA

Achse der Lagerspule

LG

Lage

MA

Magnetfeldachse

N

Lagengrundzahl

RD

Radius des vom Bügel umschwenkten Raums

TA1

erster Teilabschnitt

TA2

weiterer Teilabschnitt

WA

Achse des Wickelkörpers

WR

Wickelradius

ZA

Achse der Zwischenspule

φ

Zusatzrotation

Claims (20)

1. Verfahren zur Fertigung einer Magnetspulenanordnung (20–24) aus einem bandförmigen Leiter (1), welcher mit Ausnahme seiner beiden Endbereiche (2, 3) in Längsrichtung geschlitzt ist, so dass der bandförmige Leiter (1) ein erstes und ein zweites Halbband (4, 5) und zwei diese Halbbänder (4, 5) zu einer geschlossenen Schleife verbindende Endbereiche (2, 3) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) das erste Halbband (4) des geschlitzten bandförmigen Leiters (1) wird auf eine erste Zwischenspule (14) und das zweite Halbband (5) des geschlitzten bandförmigen Leiters (1) wird auf eine zweite Zwischenspule (15) aufgewickelt; b) im Wechsel werden Unterschritte des Typs b1) und des Typs b2) ausgeführt, mit b1) von der ersten Zwischenspule (14) werden auf einen Wickelkörper (9) der Magnetspulenanordnung (20–24) eine oder mehrere Windungen (12a, 12b) des ersten Halbbands (4) aufgewickelt, und b2) von der zweiten Zwischenspule (15) werden auf denselben Wickelkörper (9) eine oder mehrere Windungen (12a, 12b) des zweiten Halbbands (5) aufgewickelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Unterschritten des Typs b1) und des Typs b2) wenigstens zweimal gewechselt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die beiden Halbbänder (4, 5) jeweils mit einer Vielzahl von axial benachbarten Windungen helixförmig auf die Zwischenspulen (14, 15) aufgewickelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) das Aufwickeln der beiden Zwischenspulen (14, 15) gleichzeitig erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass in Schritt a) ein die beiden Halbbänder (4, 5) verbindender Endbereich (3) bei jeder Umdrehung der Zwischenspulen (14, 15) sich zwischen den beiden Halbbändern (4, 5) hindurchbewegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt jeweils eine Vielzahl von axial benachbarten Windungen (12a, 12b) helixförmig auf den Wickelkörper (9) zu mindestens einer Lage (LG) aufgewickelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt von der jeweiligen Zwischenspule (14, 15) jeweils eine oder mehrere Doppellagen (DL) des Halbbands (4, 5) auf den Wickelkörper (9) der Magnetspulenanordnung (20–24) aufgewickelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt eine oder mehrere Lagen (LG) über die volle axiale Länge (L) des Wickelkörpers (9) auf diesen gewickelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt b1) eine oder mehrere Lagen (LG) nur über einen ersten Teilabschnitt (TA1) der axialen Länge (L) des Wickelkörpers (9) auf diesen gewickelt werden, und dass in Schritt b) in wenigstens einem Unterschritt b2) eine oder mehrere Lagen (LG) nur über einen weiteren Teilabschnitt (TA2) der axialen Länge (L) des Wickelkörpers gewickelt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) Lagen (LG) des ersten und des zweiten Halbbands (4, 5) radial übereinander auf den Wickelkörper (9) gewickelt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) die beiden Halbbänder (4, 5) bei einem der Endbereiche (3) gegeneinander verdrillt werden und dergestalt verdrillt zum Aufwickeln an die Zwischenspulen (14, 15) angelegt werden, und dass nach Schritt a) die Zwischenspulen (14, 15) so gegeneinander verkippt werden, dass die Verdrillung (7) der Halbbänder (4, 5) bei diesem Endbereich (3) wieder aufgehoben wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) der geschlitzte bandförmige Leiter (1) von einer Lagerspule (6) abgewickelt wird, auf der die beiden Halbbänder (4, 5) axial nebeneinander angeordnet sind.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt b) die Zwischenspulen (14, 15) und der Wickelkörper (9) zumindest im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Unterschritten des Typs b1) und b2) jeweils – eine der Zwischenspulen (15) koaxial zum Wickelkörper (9) angeordnet und mit dem Wickelkörper (9) mechanisch verkoppelt wird, und die andere Zwischenspule (14) radial beabstandet aber parallel zum Wickelkörper (9) angeordnet wird, – und durch eine Rotation des Wickelkörpers (9) zusammen mit der einen Zwischenspule (15) und eine dazu synchrone Rotation der anderen Zwischenspule (14) Halbband (4) von der anderen Zwischenspule (14) auf den Wickelkörper (9) umgewickelt wird, – wobei je Rotation des Wickelkörpers (9) ein Bandabschnitt (19), der die beiden Zwischenspulen (14, 15) miteinander verbindet, einmal axial außen am Wickelkörper (9) vorbei an der der einen Zwischenspule (15) abgewandten Seite geführt wird, und einmal axial außen an der anderen Zwischenspule (14) vorbei an der der einen Zwischenspule (15) zugewandten Seite geführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Unterschritten des Typs b1) und b2) jeweils – eine der Zwischenspulen (14) relativ zum Wickelkörper (9) auf einer Kreisbahn (KB) geführt wird und die andere Zwischenspule (15) dabei in Ruhe verbleibt, – wobei je Umlauf ein Bandabschnitt (13b) des Leiters (1), welcher die beiden Zwischenspulen (14, 15) verbindet, einmal axial außen am Wickelkörper (9) vorbei geführt wird, – und wobei je Umlauf die eine Zwischenspule (14) einmal axial innen an einem Bandabschnitt (13a) des Leiters (1), welcher die andere Zwischenspule (15) und den Wickelkörper (9) verbindet, vorbei geführt wird.
16. Magnetspulenanordnung (20–24) aus einem bandförmigen Leiter (1), welcher mit Ausnahme seiner beiden Endbereiche (2, 3) in Längsrichtung geschlitzt ist, so dass der bandförmige Leiter (1) ein erstes und ein zweites Halbband (4, 5) und zwei diese Halbbänder (4, 5) zu einer geschlossenen Schleife verbindende Endbereiche (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Windung (12a, 12b) des ersten Halbbands (4) und mindestens eine Windung (12a, 12b) des zweiten Halbbands (5) auf einem gemeinsamen Wickelkörper (9) aufgewickelt sind.
17. Magnetspulenanordnung (20–24) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlitzte, bandförmige Leiter (1) ein Hochtemperatur-Supraleitermaterial aufweist.
18. Magnetspulenanordnung (20–24) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbbänder (4, 5) in Lagen (LG) helixförmig auf dem Wickelkörper (9) aufgewickelt sind, wobei jede Lage (LG) eine Vielzahl von axial benachbarten Windungen (12a, 12b) umfasst.
19. Magnetspulenanordnung (20–24) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Lagen (LG) des ersten und des zweiten Halbbands (4, 5) radial übereinander auf den Wickelkörper (9) gewickelt sind.
20. Magnetspulenanordnung (20–24) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Abfolge von Lagen (LG) des ersten Halbbands (4) und des zweiten Halbbands (5) so gewählt ist, dass in den Lagen (LG) der Magnetspulenanordnung (20–24) eine näherungsweise gleiche Länge des ersten Halbbands (4) und des zweiten Halbbands (5) verwickelt ist.

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