DE102012215568A1

DE102012215568A1 - Verfahren zum Wickeln einer elektrischen Spule unter Nutzung von Torsion und derart gewickelte elektrische Spule

Info

Publication number: DE102012215568A1
Application number: DE201210215568
Authority: DE
Inventors: Jörn Grundmann; Peter Kummeth; Wolfgang Nick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wickeln einer elektrischen Spule (1) und einer elektrischen Spule (1) gewickelt nach dem Verfahren, wobei wenigstens ein elektrischer Bandleiter (4) auf eine Oberfläche eines Trägers (2) gewickelt wird und dieser beim Wickeln tordiert und/oder in sich verdreht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wickeln einer elektrischen Spule und einer elektrischen Spule gewickelt nach dem Verfahren, wobei wenigstens ein elektrischer Bandleiter auf eine Oberfläche eines Trägers gewickelt wird.
Elektrische Spulen werden in einer Reihe von elektrischen Schaltungen verwendet. Insbesondere neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) haben für Spulen neue Einsatzgebiete erschlossen und erfordern neue Bauformen, wie z.B. für Strombegrenzer oder Maschinen wie Generatoren oder Motoren. Spulen bestehen üblicherweise aus einem Träger und einem elektrischen Leiter, welcher auf den äußeren Umfang des Trägers von außen gewickelt wird. Neue Leitertypen und Anwendungen, z.B. bandförmige Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) in HTS-Maschinen ergeben neue Anforderungen an die verwendeten Spulen und somit wird ein neues Spulen-Design notwendig.
Üblicherweise werden Spulen, insbesondere HTS-Spulen aus HTS-Bandleitern derart hergestellt, dass ein Träger rotiert wird und der Leiter von außen auf den Träger unter Wirkung eines Wicklungszugs gewickelt wird. Der Träger beim Wickeln kann auch als Wicklungsträger bezeichnet werden. Es kann jeweils mit dem Leiter zusammen oder darauffolgend Isolationsmaterial zwischen die einzelnen Leiterwindungen gewickelt werden. Sowohl die HTS-Leiter selbst, als auch das Isolationsmaterial besitzen geometrische Toleranzen. Beim Nasswickeln wird zwischen die Leiter Gießharz aufgebracht, welches der Spulenanordnung mechanische Stabilität verleiht.
Die Bandleiter werden im Stand der Technik beim Wickeln parallel zur zu bewickelnden Oberfläche des Wicklungsträgers geführt. Eine Vorratsrolle mit Bandleiter befindet sich im Wickelbereich des Trägers oder wird mit dem Bandleiter mitbewegt. Nach dem Wickeln können die spulenförmigen Leiter und der Wicklungsträger voneinander entformt werden. Dabei wird der Leiter vom Träger z.B. mechanisch gelöst und von diesem entfernt. Der spulenförmige Leiter kann dann auf einen Träger für den Betrieb der Spule, den Spulenträger aufgebracht werden. Alternativ können der Wicklungsträger und der Spulenträger auch identisch sein.
Die Spulenträger mit Leiter in Spulenform können z.B. in Maschinen, wie Generatoren oder Motoren eingesetzt werden. Bei großen Generatoren, insbesondere Kraftwerksgeneratoren rotiert der Rotor z.B. mit 3000 bis 3600 U/min. Der Rotordurchmesser einer solchen Maschine liegt bei etwa 1 m. Im Betrieb sind die Rotorwicklungen dadurch erheblichen Fliehkräften in radialer Richtung ausgesetzt. Diese Fliehkräfte können erhebliche Verformungen an den Rotorwicklungen bewirken.
Die Fliehkräfte und Verformungen bedingen, dass die Spule an ihren Außenabmessungen mit geeigneten Mitteln gestützt werden muss. Hierzu ist es vorteilhaft, bei der Herstellung der Spule exakt definierte Außenabmessungen zu erreichen. Dies ist jedoch bei der im Stand der Technik üblichen Herstellung von HTS-Spulen mittels Wickeln von außen auf einen innen liegenden Wicklungsträger unter Wirkung eines Wickelzugs bedingt durch die Fertigungstoleranzen nicht möglich. Ein Weg diese Probleme zu umgehen, ist die Verwendung von Füllstücken, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Die Verwendung von Füllstücken führt jedoch zu größeren Spulenabmessungen und erhöhtem Gewicht, was die Fliehkräfte und andere mechanische Lasten weiter erhöht. Gleichzeitig wird durch die Einbettung des Füllmaterials die mechanische Struktur der Spule geschwächt.
Bei Verwendung von HTS-Spulen ist zudem eine gute Kühlung der HTS-Leiter auf kryogene Temperaturen unterhalb z.B. 77K notwendig. Dazu ist unter allen Betriebsbedingungen stets ein guter thermischer Kontakt zwischen Kühlanbindung und HTS-Spule zu gewährleisten. Große Abstände zwischen Kühlanbindung und der HTS-Spule sind zu vermeiden. Mit Füllmaterial aufgefüllte Zwischenräume können ebenfalls zu einer verschlechterten Kühlung führen.
Neben den Auswirkungen auf mechanische Lasten und Kühlung der Spule führen Füllstücke auch zu einer erhöhten Komplexität und zu zusätzlichen Bearbeitungsschritten und Kosten bei der Herstellung der Spulen.
Möglich ist es die HTS-Leiter direkt auf den Träger zu wickeln, welcher später in z.B. einer HTS-Maschine als mechanische Stütze und/oder zur Kälteanbindung verwendet wird. Dabei ist somit der Wicklungsträger, auf welchem bei der Herstellung der Leiter gewickelt wird, gleich dem Spulenträger, von welchem der Leiter im Betrieb z.B. in einer Maschine gehaltert wird. Es ist aber auch möglich, den gewickelten Leiter in Spulenform auf dem Wicklungsträger nach der Herstellung zu entformen und auf einem Spulenträger mit speziellen, vorteilhaften Eigenschaften für die mechanische Stützung und/oder thermische Anbindung aufzubringen. Der Spulenträger mit in Spulenform aufgebrachtem Leiter wird in z.B. einer Maschine verwendet, wobei der Wicklungsträger nur zur Herstellung der Spule durch Wickeln des Leiters auf den Träger dient.
Aus dem Stand der Technik bekannte Konzepte zum Aufbau von Spulen für HTS-Anwendungen sind in großen Maschinen, wie z.B. großen Generatoren wegen der hohen Fliehkräfte nicht anwendbar.
Beim Wickeln von Spulen, bekannt aus dem Stand der Technik bestehen Probleme, wenn mehrere Bandleiter und/oder Isolationsbänder gleichzeitig parallel gewickelt werden sollen. Dies kann notwendig sein um Bandleiter mit Isolator zwischen den einzelnen Leiterwindungen zu wickeln und/oder um durch gleichzeitiges Wickeln mehrerer Leiterbänder spezielle Spulen herzustellen und/oder eine schnellere Wicklung zu erreichen.
Auch ein Wickeln von Bandleitern auf innere Oberflächen eines Wicklungsträgers kann mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren schwierig sein. Dabei kann insbesondere eine Zuführung des Bandleiters aus dem Inneren des Wicklungsträgers beim Wickeln zu Problemen führen, weil aus räumlichen Gründen nur eine begrenzte Menge Bandmaterial in einem Wicklungsträger angeordnet werden kann. Der Träger z.B. in Form von Vorratsrollen, Abwickler usw., von welchem der Bandleiter beim Wickeln abgewickelt wird, benötigt einen gewissen Raum. Beim Wickeln von mehreren Trägern gleichzeitig kann der Platz im Wicklungsträger nicht ausreichen, um alle Leiterbänder und/oder Isolatoren und/oder Abwickler im Wicklungsträger anzuordnen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Wickeln einer elektrischen Spule und eine elektrische Spule gewickelt nach dem Verfahren anzugeben, welche das Wickeln von elektrischen Bandleitern auf Träger auch bei engen räumlichen Verhältnissen ermöglichen, d.h. auf Träger von innen und/oder außen. Dabei sollen die zuvor beschriebenen Probleme vermieden werden können. Insbesondere ist es Aufgabe eine Spule herzustellen, welche im Inneren eines hohlen Trägerkörpers die Bandleiter angeordnet hat. Dabei ist es weiterhin Aufgabe, eine Spule mit einer hohen Windungszahl in räumlich für die Windungszahl eng ausgelegten Spulenträgern herstellen zu können, d.h. bei relativ geringem Volumen im Inneren des Trägers große Mengen Bandleiter wickeln zu können, ohne den Bandleiter beim Wickeln zu beschädigen. Durch ein Wickeln von Bandleitern z.B. von innen in einem Träger sollen elektrische Spulen mit geringen Toleranzen bezüglich Außenumfang der Spule möglich sein, welche bei starken Fliehkräften nur eine geringe Verformung der Spule aufweisen, eine gute Anbindung der Spule an Kühleinrichtungen ermöglichen, wobei ein einfacher, kostengünstiger Aufbau verwendet werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe des erfinderischen Verfahrens ein Wickeln von Spulen zu ermöglichen, bei welchem von mehreren Trägern gleichzeitig auf einen Wicklungsträger gewickelt wird.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zum Wickeln einer elektrischen Spule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich einer elektrischen Spule gewickelt nach dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Wickeln einer elektrischen Spule und der elektrischen Spule gewickelt mit dem Verfahren gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche untereinander und mit Merkmalen der Unteransprüche und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombiniert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Wickeln einer elektrischen Spule umfasst, dass wenigstens ein elektrischer Bandleiter auf eine Oberfläche eines Trägers gewickelt wird, wobei beim Wickeln der Bandleiter tordiert, d.h. in sich verdreht wird.
Durch die Ausnutzung der Torsionsfähigkeit von Bandleitern können die Leiter einfacher dem Wicklungsträger zugeführt werden. Der bzw. die Träger z.B. in Form von Vorratsbehältern, insbesondere Vorratsrollen, von welchen der Bandleiter abgewickelt wird um auf den Wicklungsträger aufgewickelt zu werden, können dadurch räumlich besser angeordnet werden, ohne durch ein paralleles Wickeln zur Wickelträgeroberfläche eingeschränkt zu sein. Beim Wickeln auf hohle Träger im Inneren des Wicklungsträgers kann der Träger, von welchem der Bandleiter abgewickelt wird, auch außerhalb des hohlen Wicklungsträgers angeordnet werden. Durch Tordieren des Bandleiters kann dieser von Außen in das Innere des Wicklungsträgers z.B. über Umlenkrollen einfach eingeführt werden. Es wird auch möglich von mehreren Trägern gleichzeitig Bandleiter und/oder Isolatorbänder auf den Wicklungsträger zu wickeln, insbesondere ohne räumliche Begrenzungen beachten zu müssen z.B. im Inneren eines Wicklungsträgers. Auch ein Wickeln eines Bandleiters auf eine äußere Oberfläche eines Wicklungsträgers kann vereinfacht sein durch das erfindungsgemäße Verfahren, da der bzw. die Träger, von welchem der Bandleiter abgewickelt wird, durch die Nutzung der Torsion des Bandleiters nicht mehr parallel zum Wicklungsträger angeordnet sein müssen.
Als Träger kann ein Wicklungsträger zum Wickeln des wenigstens einen Bandleiters verwendet werden, welcher identisch oder unterschiedlich zu einem Spulenträger ist, mit welchem die Spule verwendet wird. Bei unterschiedlichen Trägern wird der gewickelte Bandleiter vom Wicklungsträger entformt, d.h. z.B. mechanisch entfernt und auf den Spulenträger auf- bzw. eingebracht. Dadurch können für die jeweilige Aufgabe optimierte Träger verwendet werden. Vorteil der Verwendung gleicher Träger ist das Einsparen des Schrittes Entformen und Auf- bzw. Einbringen.
Als Träger kann ein Träger-Hohlkörper, insbesondere ein zylinderförmiger Träger-Hohlkörper verwendet werden, insbesondere mit einer durchgehenden Ausnehmung im Inneren des Träger-Hohlkörpers, welche eine im Wesentlichen rechteckige Grundfläche mit abgerundeten Ecken aufweisen kann. Dadurch wird ein Wickeln des Bandleiters auf eine innere Oberfläche des Trägers möglich. Der Träger im Betrieb der Spule kann dann Fliehkräfte z.B. bei Rotation kompensieren und den spulenförmigen Bandleiter mechanisch stützen. Eine starke Verformung der Spule, auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten z.B. einer Spule in einem Rotor einer Maschine wird dadurch vermieden.
Als Oberfläche des Trägers zum Bewickeln mit Bandleiter kann eine innere Fläche des Träger-Hohlkörpers verwendet werden und der Bandleiter kann von außerhalb des Träger-Hohlkörpers während des Wickelns in den Träger-Hohlkörper eingeführt werden. Dadurch werden die zuvor beschriebenen Nachteile vermieden, insbesondere die räumliche Begrenzung zum Anordnen von Trägern im Wicklungsträger-Hohlkörper, von welchen beim Wickeln der Bandleiter und/oder Isolator abgewickelt wird.
Vom Bandleiter kann ein Hochtemperatur-Supraleiter-Material umfasst werden. Dadurch wird die Herstellung von Hochtemperatur-Supraleiter-Spulen möglich.
Die Torsion des Bandleiters kann beim Wickeln der Spule zwischen zwei Rollen, insbesondere einer Umlenkrolle und einer Andruckrolle erfolgen. Dies ergibt ein einfaches Verfahren zum Wickeln.
Der wenigstens eine Bandleiter kann von einem Abwickler, insbesondere von einer Rolle mit aufgewickeltem Bandleiter aus, über wenigstens eine Umlenkrolle und eine Andruckrolle beim Wickeln der Spule an die Oberfläche des Trägers gewickelt und mit einer Kraft angedrückt werden. Dadurch wird ein räumlich präzises Anordnen des Bandleiters und/oder Isolators zum Träger möglich, ohne Verschiebungen des Bandleiters auf der Oberfläche des Trägers beim Wickeln.
Ein Leiterstapel aus Bandleitern kann gleichzeitig gewickelt werden, insbesondere ein Leiterstapel der durch gleichzeitiges Abwickeln von mehreren Abwicklern erzeugt wird. Dies macht ein besonders zeitsparendes Wickeln möglich.
Der wenigstens eine Bandleiter kann in Lagen übereinander gewickelt werden, insbesondere mit Lagen übereinander in Richtung von der inneren Oberfläche des Trägers zur Mittelachse/Längsachse des Trägers hin und/oder mit Lagen übereinander in Richtung von der zu bewickelnden Oberfläche des Trägers nach außen hin. So können Lagen- und/oder Scheibenspulen hergestellt werden.
Zwischen jeder Windung und/oder Lage Bandleiter kann ein elektrisch isolierender Abstandshalter eingeführt werden, insbesondere durch Aufwickeln auf den Bandleiter oder durch gleichzeitiges Wickeln mit dem Bandleiter. Der Isolator kann Windungen der Spule untereinander elektrisch isolieren und als Abstandshalter mit Ausnehmungen eine gute Kühlung ergeben. Kühl-Flüssigkeit oder -Gas kann durch die Ausnehmungen gut zu und von den Bandleitern weg transportiert werden.
Der Träger kann an Haltepunkten mit Hilfe von Halteelementen beim Wickeln mechanisch gehalten werden, insbesondere an Haltepunkten auf der Oberfläche, auf welcher der wenigstens eine elektrische Leiter aufgewickelt wird. Dies ermöglicht ein sicheres Wickeln, ohne Verrutschen des Leiters gegenüber dem Träger beim Wickeln.
Vor dem Passieren eines Haltepunktes durch den zu wickelnden elektrischen Leiter kann das Halteelement entfernt werden und nach dem Passieren das Halteelement wieder eingeführt werden. Die Halteelemente an den anderen Haltepunkten bleiben während dessen fest, d.h. deren Haltewirkung bleibt erhalten und hält den Leiter auf dem Träger. Beim zuvor beschriebenen Halten des Leiters an Haltepunkten auf der zu bewickelnden Oberfläche kann dadurch auch über die Haltepunkte gewickelt werden. Die Halteelemente verhindern beim Wickeln ein Abziehen des Leiters von dem Träger weg, z.B. durch Zugkräfte beim Wickeln und erhalten die gewickelte räumliche Lage des Leiters auf der inneren Oberfläche beim und nach dem Wickeln. Gewickelte Leiter-Lagen stabilisieren dabei zusätzlich darunter liegende, d.h. vorher gewickelte Leiter-Lagen in Richtung Träger hin. Die Verwendung von Gießharz kann eine endgültige Fixierung des Leiters in Spulenform mit Windungen ermöglichen.
Beim Wickeln kann der Träger um eine Rotationsachse relativ zum wenigstens einen Bandleiter rotiert werden und/oder der wenigstens eine Abwickler kann rotiert werden.
Eine elektrische Spule gewickelt nach dem zuvor beschriebenen Verfahren kann eine Scheibenspule, eine zylindrische Spule oder eine Rennbahnspule sein.
Der Träger kann wenigstens einen Fluidkanal für ein Kühlfluid umfassen und/oder der Träger kann eine Grund- und eine Deckfläche aufweisen, welche die Oberfläche des Trägers begrenzen, und an welchen Trägerendstücke angeordnet sein können, welche insbesondere für den wenigstens einen Bandleiter eine Anordnungsbegrenzung sind. Dadurch kann der Leiter beim Wickeln und im Betrieb nicht vom Träger rutschen, was eine Zerstörung der Spule verhindert.
Die für die elektrische Spule beschriebenen Vorteile sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf das Verfahren zum Wickeln einer elektrischen Spule beschrieben wurden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es wird in den Figuren dargestellt:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrische Spule 1 mit innen gewickeltem Bandleiter 4, und
2 ein Ausschnitt einer elektrischen Spule 1 entsprechend 1 zusätzlich mit Trägerendstücken 5 an der Grund- und Deckfläche als Begrenzung, und
3 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Wickeln einer Spule 1 von innerhalb der Spule 1 aus, und
4 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Wickeln einer Spule 1 von außerhalb der Spule 1 aus, und
5 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Wickeln einer Spule 1 entsprechend 3 mit mehreren Rollen 8, 18, 18´, 18´´, 18´´´ als Abwickler 6, und
6 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Wickeln einer Spule 1 entsprechend 4 mit mehreren Rollen 8, 15, 18, 18´, 18´´, 18´´´ als Abwickler 6, und
7 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Wickeln einer Spule 1 entsprechend 5 mit mehreren Rollen 8, 18, 18´, 18´´, 18´´´ als Abwickler 6.
In der 1 ist eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße elektrische Spule 1 nach dem Wickeln gezeigt. Die Spule 1 umfasst einen Hohlkörper als Träger 2, welcher z.B. zylinderförmig aufgebaut ist. In 1 ist ein Schnitt entlang einer Mittelachse des Zylinders entlang seiner Höhe dargestellt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen in den Figuren ist der Träger 2 aus einem Zylinder mit einer im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche mit abgerundeten Ecken dargestellt. Es sind aber auch andere Trägerformen möglich. Die Wandstärke des Träger-Hohlkörpers 2 ist abhängig vom Material des Trägers 2 und von der mechanischen Beanspruchung des Körpers ausgelegt, z.B. durch magnetische und Fliehkräfte im Betrieb der Spule. Die Wandstärke kann z.B. im Bereich von Millimetern oder Zentimetern liegen. Als Material für den Träger-Hohlkörper 2 kann z.B. ein Kunststoff oder ein Verbundwerkstoff oder ein Metall bzw. eine Legierung verwendet werden.
In der Trägerwand können Fluidkanäle 3 für ein Kühlfluid angeordnet sein, welche in den Figuren der Einfachheit halber nur schematisch durch einen Kanal 3 dargestellt sind. Die Fluidkanäle 3 sind zum Kühlen der elektrischen Spule 1 ausgelegt. Als Kühlfluid kann unter anderem Luft, Wasser, flüssiger oder gasförmiger Stickstoff, Neon oder Helium dienen. Es können mehrere Kühlkanäle 3 in beliebiger, günstiger Anordnung in der Wandung ausgebildet sein.
Auf die innere Mantelfläche des Zylinders 2 ist ein Leiter 4, z.B. ein HTS-Bandleiter aufgewickelt. Die flache Seite des Bandes ist z.B. parallel zur Mantelfläche des Zylinders 2 angeordnet. Die flache Seite des Bandes kann aber z.B. auch senkrecht zur Mantelfläche des Zylinders 2 angeordnet sein, abhängig von der Spulenart. Die Spule 1 kann z.B. eine Scheibenspule, eine zylindrische Spule oder eine Rennbahnspule sein.
An den Enden des Zylinders 2 können an dessen Grund- und Deckfläche Trägerendstücke 5 angeordnet sein, welche die Oberfläche des Trägers 2 begrenzen. Dies ist schematisch für eine Trägerseite in 2 dargestellt. Die Trägerendstücke 5 begrenzen die Spule 1 räumlich an zwei Enden und geben dem Bandleiter 4 Stabilität. Sie können beim Wickeln als Führung für den Bandleiter 4 dienen und fixieren räumlich die Lagen Leiter 4 seitlich.
Wie in 3 dargestellt ist, wird zum erfindungsgemäßen Wickeln der Spule 1 im Inneren des Hohlkörpers 2 ein Abwickler 6 mit einer Rotationsachse 7 parallel zur Längsachse des Hohlzylinders 2 angeordnet, welcher eine Rolle 8 mit aufgewickeltem Leiter 3 umfasst. Der Leiter 3 wird von einer Rolle 8 abgerollt bzw. abgewickelt unter Rotation der Rolle 8 um ihre Rotationsachse 12 und unter Rotation des Abwicklers 6 entsprechend z.B. Richtung 11 um seine Rotationsachse 7. Über eine Andruckrolle 9, welche sich insbesondere auch dreht, wird der Bandleiter 4 umgelenkt und an die innere Oberfläche des Träger-Hohlkörpers 2 mit einer Andruckkraft F gepresst. Die Andruckrolle 9 weist eine Längs- bzw. Drehachse parallel der inneren Oberfläche des Träger-Hohlkörpers auf und wird derart entlang der Oberfläche gerollt bzw. bewegt, dass sich der Leiter 4 auf der Oberfläche aufwickelt, wie in 3 durch Richtung 10 beispielhaft dargestellt ist.
Die Rolle 8 des Abwicklers 6 weist eine Rotationsachse auf, welche nicht parallel der Rotationsachse der Andruckrolle 9 ist. Dadurch wird der Bandleiter 4 verdrillt bzw. verdreht und es entsteht eine Torsion 13 des Bandleiters 4 zwischen der Rolle 8 des Abwicklers 6 und der Andruckrolle 9. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel schließen die Rotationsachse der Rolle 8 des Abwicklers 6 und die Rotationsachse der Andruckrolle 9 einen Winkel von 90° ein. Es sind aber auch andere Winkel möglich. Der Abwickler 6 wird beim Wickeln entsprechend der Lage der Andruckrolle 9 mitgedreht um seine Rotationsachse 7, wodurch die Seite des Abwicklers 6 zur Rolle 9 gleich bleibt. Statt einer Andruckrolle 9 können auch andere Umlenkrollen verwendet werden.
Wesentlich ist, dass durch die Nutzung der Torsion 13 der Abwickler 6 platzsparend räumlich optimal angeordnet werden kann, ohne den Zwang von paralleler Rotationsachse von Rolle 8 und Rolle 9. Dadurch kann die Rolle 8 z.B. außerhalb des Trägers 2 angeordnet werden, was das Wickeln von mehr Bandmaterial 4 erlaubt, welches räumlich bei Anordnung von Rolle 8 im Träger 2 nicht in dessen inneren Hohlraum passen würde. Bei Wickeln von Windungen nebeneinander entlang der Höhenachse des Trägers 2 muss der Abwickler 6 nicht mit der Andruckrolle 9 entlang der Höhenachse mitgeführt werden. Es kann einfach der Abstand zwischen Rolle 8 und Rolle 9 verändert werden. Dies macht ein einfaches Wickeln möglich. Alternativ kann Rolle 8 eine Umlenkrolle sein, wobei in 3 die Vorratsrolle mit Bandmaterial 4 nicht eingezeichnet ist. In diesem Fall kann die Umlenkrolle 8 mit der Andruckrolle 9 entlang der Höhe des Zylinders 2 mitgeführt werden, um übermäßige Torsion und mechanische Belastung des Bandmaterials 4 zu vermeiden. Die Vorratsrolle kann dann ebenfalls, wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel außerhalb des Trägers 2 angeordnet sein.
In den vier abgerundeten Ecken des zylinderförmigen Hohlkörpers 2 können vier Halteelemente angeordnet sein, welche beim Wickeln den Träger 2 mechanisch bzw. räumlich fixiert halten. Diese sind der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt. Die Halteelemente können derart im unteren oder oberen Bereich des Trägers angeordnet sein, dass sie sich beim Wickeln nicht mit dem Leiter 3 kreuzen bzw. nicht bewickelt werden. Die Halteelemente können aber auch entlang der gesamten Höhe des Trägers 2 angeordnet sein. Dann ist beim Wickeln des Leiters 2 an der Stelle des Halteelements das Halteelement kurzzeitig zu entfernen, z.B. durch herausziehen aus dem Träger-Hohlkörper 2, und die Stelle durch die Andruckrolle 9 zu überstreichen, wobei sich der Leiter 2 an der Stelle auf den Träger 2 aufrollt. Anschließend ist das Haltelement wieder an der Stelle einzuführen und gegen die innere Wandung bzw. Oberfläche des Trägers 2 zu drücken, um den Träger 2 und den aufgewickelten Leiter 3 an der Stelle zu haltern bzw. mechanisch zu fixieren.
Durch die Anordnung von genügend Halteelementen, insbesondere vier Halteelementen, jeweils einem in jeder abgerundeten Ecke des Trägers 2, kann sichergestellt werden, dass beim Wickeln der Spule 1 Zugkräfte den Leiter 3 nicht wieder von der Wandung bzw. inneren Oberfläche des Träger-Hohlkörpers 2 abziehen.
Mit dem dargestellten Verfahren kann eine gewünschte und insbesondere vordefinierte Zahl an Windungen von Leiter 4 auf die innere Oberfläche des Träger-Hohlkörpers 2 aufgebracht werden. Dabei kann eine Lage von nebeneinander liegenden Windungen erzeugt werden durch nebeneinander Wickeln von Leitermaterial 4 auf der Oberfläche und anschließend eine weitere Lage auf der ersten Lage in Richtung Mittelpunkt des Hohlkörpers 2 durch Wickeln von weiteren nebeneinander liegenden Windungen auf den Windungen der ersten Lage. Zwischen den Windungen nebeneinander und/oder übereinander können Abstandshalter z.B. aus Kunststoff eingeführt werden, welche der Einfachheit halber in den Figuren nicht im Detail dargestellt sind. Die Abstandshalter können derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid durch Hohlräume bzw. Kanäle, gebildet zwischen Abstandshalter und Leiter 4 strömen kann, zur Kühlung der Leiter 4.
In 4 ist eine alternative Möglichkeit zum Wickeln von Spulen 1 angegeben. Dabei wird das Bandmaterial 4 statt auf die innere Oberfläche auf den äußeren Umfang des Trägers 2 gewickelt.
Im Stand der Technik wird beim Wickeln einer Spule die Spule selbst gedreht oder der Abwickler bzw. die Vorratsrolle „umkreist“ die Spule wie ein Satellit. Dabei muss der Bandleiter 4 sehr präzise in einer Ebene zum Wicklungsträger geführt werden, da sonst undefinierte Ausgleichsbewegungen und ein Biegen über die schmale Kante entstehen oder ein Entlangschaben des Leiters 4 am Wicklungsträger erfolgt. Dadurch entsteht eine wenig definierte Spule. Gerade in Hinblick auf große Spulenabmessungen oder bei Verwendung von großen Abwicklern bzw. Vorratsrollen mit entsprechend großen Massen kann dies sich als sehr schwierig erweisen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst. Der Abwickler 6 kann dabei analog dem Abwickler in 3 aufgebaut sein, mit einer rotierbaren Platte oder einem rotierbarem Stab, an welchem eine Rolle 8 rotierbar angebracht ist. Die Rotationsachse 12 der Rolle 8 und die Rotationsachse 7 der Platte bzw. des Stabs des Abwicklers 6 schließen z.B. einen Winkel von 90° ein. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 weist der Abwickler 6 in 4 einen Arm 14 auf, welcher an seinem einen Ende die Rolle 8 und an seinem anderen Ende eine weitere Umlenkrolle 15 an z.B. einer weiteren Platte oder Stab aufweist.
Der Bandleiter 4 wird vom Abwickler 6 über Rolle 8 der Umlenkrolle 15 zugeführt, und von dort wird der Bandleiter der Andruckrolle 9 beim Wickeln zugeführt. Die Andruckrolle 9 bewegt sich entlang des äußeren Umfangs des Trägers 2, z.B. in Richtung 10, wobei Windung für Windung auf den Träger 2 gewickelt wird. Zwischen Rolle 15 und Andruckrolle 9 wird der Bandleiter 4 tordiert.
Vorteil des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels ist, dass über den Abstand 16 zwischen Rolle 8 und Rolle 15 der Abstand zwischen Rolle 15 und Andruckrolle 9 beliebig eingestellt werden kann. Es kann somit ein größerer Abstand zwischen Rolle 15 und Rolle 9 eingestellt werden, welcher mehr Länge für den tordierten Bereich des Bandleiters 4 zur Verfügung stellt. Dadurch erfolgt die Torsion 13 nicht auf so engem Raum und das Bandmaterial 4 wird mechanisch weniger belastet.
In 5 ist der Abwickler 6 im Detail dargestellt, mit mehreren Vorratsrollen 18, 18´, 18´´, 18´´´ mit z.B. Bandleiter- und Isolatormaterial 4, einer Umlenkrolle 8 und der Andruckrolle 9, in Verbindung mit einer Trägerhälfte analog 2. Fluidkanäle 3 sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet. Durch Verwendung mehrerer Vorratsrollen kann ein Bandstapel gleichzeitig gewickelt werden, was eine Zeitersparnis gegenüber dem Wickeln einzelner Bänder ergibt. Analog 3 wird vom Abwickler 6 der Bandleiter 4 einer Andruckrolle 9 zugeführt, welche sich unter Rotation entlang der inneren Oberfläche des Trägers 2 bewegt. Dabei wird das Leiterband 4 auf den Träger 2 in Spulenform Windung für Windung gewickelt. Der Abwickler 6 besteht aus einem Stab 17 mit rotierbar befestigten Vorratsrollen 18, 18´, 18´´, 18´´´ mit Bandleiter 4 und/oder Isolationsmaterial. Durch die in Reihe übereinander bzw. hintereinander angeordneten Vorratsrollen 18, 18´, 18´´, 18´´´ kann beim Wickeln ein Bandleiterstapel erzeugt werden, z.B. mit Isolationsmaterial als Abstandshalter zwischen einzelnen Bandleitern 4.
In 6 ist analog 5 ein Abwickler 6 mit mehreren Vorratsrollen 18, 18´, 18´´, 18´´´ dargestellt, aber in diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Wickeln der Spule 1 auf den äußeren Umfang des Trägers 2. Das Wickeln erfolgt analog dem Ausführungsbeispiel in 4, wobei die Vorrichtung zum Wickeln in 4 z.B. von Oben und in 6 z.B. von der Seite dargestellt ist. Die Vorrichtung erlaubt ein Wickeln von Bandstapeln analog dem Wickeln von Bandstapeln in 3, nur auf die äußere statt auf die innere Oberfläche des Trägers.
In 7 ist eine alternative Ausführungsform der in 5 dargestellten Vorrichtung zum Wickeln einer Spule 1 dargestellt. Die Anordnung der Vorratsrollen 18, 18´, 18´´, 18´´´ auf einer Linie, welche nicht parallel der Rotationsachse des Abwicklers 6 ist, erlaubt eine veränderte Kraftwirkung auf das Bandmaterial 4. Insbesondere kann so eine längere Torsionstrecke und damit eine geringere mechanische Belastung des Leiters realisiert werden. Je nach geometrischer Form des Trägers 2 und der gewünschten Form der zu wickelnden Spule 2 sowie Bandmaterial 4 und/oder Isolationsmaterial können unterschiedliche Aufbauten und Anordnungen der Rollen im Abwickler 6 verwendet werden.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch untereinander und mit Ausführungsformen von Spulen, bekannt aus dem Stand der Technik kombiniert werden.
Die Nutzung der Tordierbarkeit von Bandleitern 4, insbesondere von HTS-Bandleitern der 2. Generation wie z.B. YBCO-Bandleitern, ermöglicht ausreichend Platz für die Unterbringung der zum Wickeln von Spulen benötigten HTS-Leiterbandlängen und Isolationsbandlängen innerhalb einer Innenkante des Spulenträgers 2. Die Tordierbarkeit und Leiterumlenkung erlaubt die Nutzung des über der Wickelebene der Spule 1 und des Trägers 2 liegenden Raumes. Dadurch wird das Wickeln der Spulen von Innen auch z.B. für HTS-Spulen aus mehreren parallel gewickelten HTS-Leitern und Isolationsbändern sowie Roebelleitern ermöglicht, auch wenn große Leiterlängen verarbeitet werden.
Durch die Torsion des Bandleiters 4 wird beliebig viel Raum für Abwickler 6 von Bandleitern sowie Isolationsbändern verfügbar. Es wird ermöglicht, dass auch Spulen 1 mit großem Leiterbedarf und damit großer Windungszahl, wie z.B. für HTS-Kraftwerksgeneratoren, von Innen gewickelt werden können. Damit wird das Erreichen der benötigten Maßhaltigkeit der Außenkante der gewickelten HTS-Spulen ermöglicht. Durch die Torsion des Leiters ist im Bereich der Umlenkrolle eine relativ einfache Beschichtung des Leiters mit Vergussmaterial, z.B. durch Beträufeln mit Gießharz möglich. Die nahezu unbegrenzte verfügbare Höhe für die Abwickler 6 erlaubt es, dass Beharzungsvorrichtungen zur Verklebung von beispielsweise mehreren parallel zu wickelnden HTS-Leiterbändern 4 in dem zuvor beschriebenen Bereich untergebracht werden können. Der nach oben vorhandene Platz bei einer derartigen Wickelvorrichtung bietet auch die Möglichkeit, dass beispielsweise eine Vorrichtung zur Isolation bzw. Umbändelung des oder der HTS-Bandleiter oberhalb der Wickelebene untergebracht wird. Wenn eine Spule von Außen unter Ausnutzung der Torsion auf einen Spulenträger gewickelt wird, so kann darauf verzichtet werden, dass sich schwere und große Abwickler außen um den Spulenträger herum bewegen. Damit wird der Aufbau der Wickelvorrichtung einfacher.

Claims

Verfahren zum Wickeln einer elektrischen Spule (1), wobei wenigstens ein elektrischer Bandleiter (4) auf eine Oberfläche eines Trägers (2) gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wickeln der Bandleiter (4) tordiert und/oder in sich verdreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger (2) ein Wicklungsträger zum Wickeln des wenigstens einen Bandleiters (4) verwendet wird, welcher identisch oder unterschiedlich zu einem Spulenträger ist, mit welchem die Spule (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger (2) ein Träger-Hohlkörper, insbesondere ein zylinderförmiger Träger-Hohlkörper verwendet wird, insbesondere mit einer durchgehende Ausnehmung im Inneren des Träger-Hohlkörpers, insbesondere mit im Wesentlichen rechteckiger Grundfläche mit abgerundeten Ecken.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberfläche eine innere Fläche des Träger-Hohlkörpers verwendet wird und insbesondere der Bandleiter (4) von außerhalb des Träger-Hohlkörpers während des Wickelns in den Träger-Hohlkörper eingeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Bandleiter (4) ein Hochtemperatur-Supraleiter-Material umfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsion (13) des Bandleiters (4) beim Wickeln der Spule (1) zwischen zwei Rollen, insbesondere einer Umlenkrolle (8, 15) und einer Andruckrolle (9) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bandleiter (4) von einem Abwickler (6), insbesondere von einer Rolle (18, 18´, 18´´, 18´´´) mit aufgewickeltem Bandleiter (4) aus, über wenigstens eine Umlenkrolle (8, 15) und eine Andruckrolle (9) beim Wickeln der Spule (1) an die Oberfläche des Trägers (2) gewickelt und mit einer Kraft (F) angedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leiterstapel aus Bandleitern (4) gewickelt wird, insbesondere ein Leiterstapel der durch gleichzeitiges Abwickeln von mehreren Abwicklern (6) und/oder Rollen (18, 18´, 18´´, 18´´´) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bandleiter (4) in Lagen übereinander gewickelt wird, insbesondere mit Lagen übereinander in Richtung von der inneren Oberfläche des Trägers (2) zur Mittelachse/Längsachse des Trägers (2) hin und/oder mit Lagen übereinander in Richtung von der zu bewickelnden Oberfläche des Trägers (2) nach außen hin.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Windung und/oder Lage Bandleiter (4) ein elektrisch isolierender Abstandshalter eingeführt wird, insbesondere durch Aufwickeln auf den Bandleiter (4) oder durch gleichzeitiges Wickeln mit dem Bandleiter (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) an Haltepunkten mit Hilfe von Halteelementen beim Wickeln mechanisch gehalten wird, insbesondere an Haltepunkten auf der Oberfläche, auf welcher der wenigstens eine elektrische Leiter (4) aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Passieren eines Haltepunktes durch den zu wickelnden elektrischen Leiter (4) das Halteelement entfernt wird und nach dem Passieren das Halteelement wieder eingeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wickeln der Träger (2) um eine Rotationsachse relativ zum wenigstens einen Bandleiter (4) rotiert wird und/oder dass wenigstens ein Abwickler (6) rotiert wird und/oder dass Rollen (18, 18´, 18´´, 18´´´) rotiert werden.
Elektrische Spule (1) gewickelt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) eine Scheibenspule, eine zylindrische Spule oder eine Rennbahnspule ist.
Elektrische Spule (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägers (2) wenigstens einen Fluidkanal (3) für ein Kühlfluid umfasst und/oder dass der Träger (2) eine Grund- und eine Deckfläche aufweist, welche die Oberfläche des Trägers (2) begrenzen, und an welchen Trägerendstücke (5) angeordnet sind, welche insbesondere für den wenigstens einen Bandleiter (4) eine Anordnungsbegrenzung sind.