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Die Erfindung betrifft einen Roebelleiter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine damit gewickelte Spule gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 4 und ein Verfahren zum Wickeln einer solchen Spule gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.
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Roebelleiter werden insbesondere bei Hochstromanwendungen wie Kraftwerksgeneratoren oder leistungsfähigen Elektromotoren eingesetzt. Roebelleiter bestehen aus mehreren Einzelleitern, die über der Leiterlänge im Verlauf einer Volltranspositionslänge ihre Plätze einmal durchtauschen. Dadurch wechselt jeder Teilleiter des Roebelleiters bei einer gewickelten Spule seine Position. Im Hinblick auf die Minimierung von Wechselstromverlusten und die Reduktion von Kopplungsverlusten ist dies von großer Bedeutung. Dabei bezeichnet Volltranspositionslänge die Länge, über die hinweg ein Teilleiter seine ursprüngliche Position innerhalb des Roebelleiters nach mehreren Positionswechseln, d.h. Transpositionsschritten, wieder erreicht. Ein Roebelleiter hat typischerweise eine Länge von sehr vielen Volltranspositionslängen und kann aufgrund der vielen Teilleiter hohe Ströme tragen.
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Da jeder Teilleiterabschnitt eines geroebelten Leiters über eine Nutlänge im Mittel die gleiche vertikale Position in der Nut einer elektrischen Maschine hat, ist eine Stromdichte in allen verdrillten Parallelleitern annähernd konstant und eine Stromverdrängung wird vermieden. Eine stromverdrängungsbedingte Widerstandserhöhung, die zwangsläufig mit erhöhten ohmschen Verlusten verbunden wäre, kann somit stark reduziert werden. Wegen der recht aufwendigen Herstellung der Leiter und der damit verbundenen hohen Kosten beschränkt sich der Einsatz von Roebelleitern auf Maschinen großer Leistung.
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Beim Wickeln runder Spulen wird durch das permanente Durchtauschen bzw. Transponieren der Position der Einzelleiter über die Leiterlänge erreicht, dass ein Leiter zeitweise innen – bei kleinerem Wickelradius – und dann wieder außen – bei größerem Wickelradius – verläuft. Dadurch erfolgt bei einem festen Wickelradius ein Ausgleich der Längen über eine volle Transpositionslänge.
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Beim Wickeln von Spulen aus Roebelleiter und hierbei vor allem Roebelleitern aus Hoch-Temperatur-Supraleiter (HTS), kann es Spulen geben, die nicht rund sind, sondern eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken aufweisen – z.B. Rotorspulen aus HTS-Roebelleiter für Kraftwerksgeneratoren. Beim Wickeln solcher „eckiger“ Spulen mit beliebigen Abmessungen kommt es dazu, dass der Ausgleich der Längen der verroebelten Einzelleiter nicht mehr funktioniert. Es bilden sich Überlängen einzelner Teilleiter, die sich als "Beule" während des Wickelprozesses immer mehr aufbauen und zum Ausgleich der Länge durch den Roebelleiter "geschoben" werden müssen. Bei langen Wickellängen, d.h. vielen Windungen, führt dies bis hin zur Beschädigung des HTS-Roebelleiters.
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Auch ein Aufbringen von Wickelzug während der Wicklungsherstellung stellt in diesem Fall ein Problem dar, da der Teilleiter mit Überlänge während des gesamten Wickelvorgangs ohne Zugkraft gewickelt wird. Die Verwendung eines Bandabzugs zur Wickelzugerzeugung ist beim Ausbilden einer "Beule" im Roebelleiter unmöglich, da sich zwischen dem Wickelträger der Spule und Bandabzug die Leiterbeule immer weiter vergrößert, bis schließlich der HTS-Roebelleiter bzw. Teileiter des Roebelleiters knicken oder beschädigt werden. Darüber hinaus kann durch die Form der Teilleiter, die im Allgemeinen gestanzte Bandleiter sind, ein Roebelleiter nicht beliebig weit relativ zu den anderen Teilleitern verschoben werden. Wird die Verschiebung zu groß, so verkeilen sich die Teilleiter und werden dadurch beschädigt.
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Bei der Herstellung von Spulen aus HTS-Roebelleiter wurden bisher in erster Linie runde Spulen gebildet. Hier tritt das Problem – wie oben erwähnt – nicht auf. Solche Spulen sind aber aufgrund ihrer Form nicht für den Einsatz in HTS-Kraftwerksgeneratoren geeignet. Bei bisher gefertigten Roebelleiterspulen mit rechteckiger Geometrie aus wenigen Windungen HTS-Roebelleiter konnte sich die aufbauende Leiterbeule durch die gesamte Roebelleiterlänge schieben, ohne den Roebelleiter zu beschädigen. Für Generatorwicklungen sind jedoch wesentlich größere Windungszahlen nötig, was dann aber zur Beschädigung des Leiters führen könnte.
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Bisher ist man noch nicht in der Lage große rechteckige HTS-Roebelleiterspulen mit geeigneter Windungszahl für HTS-Kraftwerksgeneratoren herzustellen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Roebelleiter bereitzustellen, der sich leicht auf einen rechteckigen Wicklungsträger zu einer Spule wickeln lässt, sowie eine Spule und ein Verfahren zum Wickeln einer Spule mit einem Roebelleiter bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Roebelleiters gelöst, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, sowie einer Spule, die die Merkmale des Anspruchs 4 aufweist und einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 5 aufweist.
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Dazu wird in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Roebelleiter für eine Spule auf einem Wicklungsträger bereitgestellt, die einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Ecken des Wicklungsträgers in einem vorbestimmten Kurvenradius abgerundet sind, und bei dem in jeder Windung der Spule eine Länge des Roebelleiters, die einer Länge einer Windung der Spule entspricht, einem ungeradzahligen Vielfachen einer Volltranspositionslänge des Roebelleiters entspricht.
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Diese Ausführungsform der Erfindung eignet sich zweckentsprechend dazu, Rechteckspulen mit verrundeten Ecken mittels eines Roebelleiters herzustellen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform variiert die Volltranspositionslänge des Roebelleiters in Abhängigkeit der Länge des Roebelleiters, die der Länge einer Windung entspricht, von Windung zu Windung in der Spule. Demnach verläuft die Volltranspositionslänge des Roebelleiters nicht konstant über seine ganze Länge und kann damit an einen sich ändernden Längenbedarf pro Windung angepasst werden. Dabei werden vorteilhafter Weise Geometrieverhältnisse der Spule nicht vorbestimmt, sondern können frei gewählt werden. Da sich Teilleiterlängen in jeder Windung Spule ausgleichen können, entsteht keine Beulung von Teil-/Einzelleitern des Roebelleiters durch wicklungsbedingte Überlängen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Roebelleiter ein Hochtemperatur-Supraleiter, im Folgenden HTS-Roebelleiter genannt. HTS-Roebelleiter weisen in ihren Anwendungsgebieten – wo hohe elektromagnetische Felder erforderlich sind – einen besonders hohen Wirkungsgrad auf und müssen nicht wie die bisher bekannten metallischen supraleitenden Materialien sehr aufwendig auf extrem niedrige Temperaturen mit flüssigem Helium gekühlt werden. Darüber hinaus lassen sie sich verarbeiten. Damit ließen sich beispielsweise große rechteckige HTS-Roebelleiterspulen mit geeigneter Windungszahl für HTS-Kraftwerksgeneratoren herstellen.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft Rechteckspulen die sich in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit verrundeten Ecken mittels eines Roebelleiters mit beliebiger Windungszahl herstellen lassen, wenn in jeder Windung der Spule die Länge eines Längenabschnitts des Roebelleiters, die der Länge der jeweiligen Windung der Spule entspricht, so gewählt wird, dass sie einem ungeradzahligen Vielfachen einer Volltranspositionslänge des Roebelleiters entspricht. Insbesondere HTS-Roebelleiterspulen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung könnten bei geeigneter Windungszahl als HTS-Kraftwerksgeneratoren eingesetzt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen eines Roebelleiters für eine Spule mit einem Wicklungsträger der einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, bei dem die Ecken des Wicklungsträgers in einem vorbestimmten Kurvenradius abgerundet sind, wobei bei einer besonders geeigneten Ausführungsform ein Längenabschnitt des Roebelleiters, der der Länge einer bestimmten Windung der Spule entspricht, jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen einer Volltranspositionslänge des Roebelleiters entsprechend gewählt wird. Auf diese Art und Weise wird durch einen Längenausgleich innerhalb jeder Windung vermieden, dass durch einen axialen Versatz von einzelnen Teilleitern des Roebelleiters ein dadurch hergestellter Verbundleiter beim Wickeln einer Spule beschädigt bzw. zerstört wird.
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Eine Spule, die mit einem Roebelleiter der beschriebenen Art hergestellt wurde, kann natürlich auch nach der Herstellung vom Wickelträger entfernt werden. Somit ist eine Verwendung der Spule in einer Maschine auch ohne den beim Wickeln verwendeten Wicklungsträger möglich.
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Ferner wird durch die Verwendung des Verfahrens gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung auch ermöglicht, einen Bandabzug zum Aufbringen eines Wickelzugs zwischen der Spule und einem Leiterabwickler in den Wickelprozess des Verfahrens zum Wickeln einzubauen. Dazu kann durch Variieren der Volltranspositionslänge ein Anpassen der Volltranspositionslänge des Längenabschnitts des Roebelleiters erfolgen, der der Länge der bestimmten Windung der Spule entspricht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform geschieht eine Anpassung der Volltranspositionslänge des Längenabschnitts des Roebelleiters, der der Länge der bestimmten Windung der Spule entspricht, unter Berücksichtigung einer Dicke des Roebelleiters und/oder einer Dicke einer Isolation des Roebelleiters und/oder Dicke einer Vergussmasse.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt eine Anpassung der Volltranspositionslänge des Längenabschnitts des Roebelleiters (HTSR), der der Länge der bestimmten Windung der Spule entspricht, unter Berücksichtigung der Dicken (RD) mehrerer parallel gewickelter Roebelleiter (HTSR) und/oder einer Dicke einer Isolation (ID) der/des Roebelleiters (HTSR) und/oder der Dicke einer Vergussmasse (VD) und/oder der Dicke parallel gewickelter Bänder.
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Da mit zunehmender Windungszahl einer von innen nach außen gewickelten Spule auch ein mittlerer Kurvenradius der einzelnen aufeinander gewickelten Windungen zunimmt, muss auch eine „Gesamtdicke“ des Roebelleiters berücksichtigt werden. Eine Vergussmasse kommt in Betracht, wenn die Wicklung/Spule hohen mechanischen Kräften ausgesetzt wird. Eine Isolation der Roebelleiter ist im Allgemeinen unabdingbar und hilft auch kleinere, mechanisch verursachte Schäden bei der Herstellung der Spule vermeiden.
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Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt eines Wicklungsträgers mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt zum Wickeln einer Spule mit einem Roebelleiter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Darstellung einer fortschreitenden Veränderung des Kurvenradiuses in einem abgerundeten Eck eines Wicklungsträgers bei zunehmender Windungszahl gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Anhand der Figurenbeschreibung wird mit Hilfe eines Rechenbeispiels ein Verfahren zur Berechnung und Herstellung eines Roebelleiters, hier insbesondere eines HTS-Roebelleiters (HTSR) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
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1 zeigt einen Querschnitt eines Wicklungsträgers (WT) mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt zum Wickeln einer Spule mit einem Roebelleiter HTSR gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die folgenden Berechnungen sind im Zusammenhang mit den Bezugszeichen beider Figuren zu betrachten.
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Gemäß 1 ist der Umfang einer Außenkante des Wicklungsträgers (WT) bestimmt durch: p = 2 × r × π + 2 × x + 2 × y mit
- p:
- Umfang des Wicklungsträgers
- r:
- Kurvenradius
- x:
- gerades Wicklungsteilstück
- y:
- gerades Wicklungsteilstück
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Demnach würde eine dargestellte Teillänge, die genau einem halben Umfang entspricht zu: n = r × π + x + y mit
- n:
- halber Umfang des Wicklungsträgers
- r:
- Kurvenradius
- x:
- gerades Wicklungsteilstück
- y:
- gerades Wicklungsteilstück
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Damit gilt p = 2 × n.
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Erfindungsgemäß gilt, dass eine Rechteckspule mit verrundeten Kanten und beliebiger Windungszahl aus Roebelleiter HTSR genau dann gewickelt werden kann, wenn sich in jeder Windung mit fest gegebenem Kurvenradius Rz – in den Wicklungsecken – die unterschiedlichen Teilleiter des Roebelleiters HTSR in ihrer Länge ausgleichen. Dies wird erreicht, wenn der Umfang einer Windung genau dem ungeradzahligen Vielfachen einer Volltranspositionslänge Vz des verwendeten Roebelleiters entspricht. p = u × V mit
- p:
- ganze Windungslänge
- V:
- Volltranspositionslänge
- u:
- ungerade Zahl
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In diesem Fall entspricht also ein halber Windungsumfang n genau dem (q + 0,5)-fachen einer Volltranspositionslänge V, wobei q eine natürliche Zahl ist. n = (q + 0,5) × V mit
- n:
- halbe Windungslänge
- V:
- Volltranspositionslänge
- q:
- natürliche Zahl
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Mit zunehmender Windungszahl nimmt in einer von innen nach außen gewickelten Spule nun allerdings auch der mittlere Kurvenradius Rz des Leiters zu. Geht man z.B. von einer Roebelleiterdicke RD und gegebenenfalls einer zusätzlichen Isolationsdicke ID und weiterhin einer Verklebung bzw. Vergussmasse mit der Dicke VD zwischen den Leitern aus, so wird der Kurvenradius pro Windung um ∆R = RD + ID + VD zunehmen. Damit verlängert sich die Windungslänge pro Windungszahl um ∆L = 2 × π × ∆R. Damit ist für einen Roebelleiter HTSR, mit konstanter Volltranspositionslänge V über die gesamte Roebelleiterlänge, die vorstehend angegebene Bedingung nur exakt für eine Spulenwindung erfüllbar.
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Erfindungsgemäß soll nun die Volltranspositionslänge Vz des verwendeten Roebelleiters nicht konstant über seine ganze Länge Lz verlaufen, sondern an den sich während des Wickelvorgangs ändernden Längenbedarf pro Windung angepasst werden. Ein Roebelleiter HTSR würde also abhängig von der auslegungsgemäßen Spulenträgergeometrie bzw. Spulengeometrie z.B. für einen HTS-Kraftwerksgenerator oder eine andere elektrische HTS-Maschine speziell gefertigt.
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Da HTS-Roebelleiter HTSR ohnehin gezielt auf Bestellung gefertigt wird, ist dies problemlos machbar. Unter Einbeziehung der in der 2 dargestellten Sachverhalte ergibt sich für die mittleren Roebelleiterkurvenradien für die Volltranspositionslänge dann z.B. ein "abgestufter Roebelleiter" HTSR mit folgenden Abmessungen bzw.
Charakteristika:
Die innerhalb einer Windung "z" benötigte Volltranspositionslänge "Vz" wird beschrieben durch die folgenden Zusammenhänge: Vz = Lz/(2 × q + 1) Dabei gilt:
- Vz
- = Volltranspositionslänge innerhalb der Spulenwindung "z"
- Lz
- = Länge der Spulenwindung "z"
- q
- = natürliche Zahl
- z
- = Windungsnummer (Ordinalzahl) auf zu wickelnder HTS-Roebelleiterspule
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Für die 1. Spulenwindung gilt damit: "L1" für 1. Windung: L1 = 2 × R1 × π + 2 × x + 2 × y
"V1" für 1. Windung: V1 = L1/(2 × q + 1) mit:
- q
- = natürliche Zahl
- V1
- = Volltranspositionslänge für 1. Windung
- L1
- = Roebelleiterlänge für 1. Windung
- R1
- = mittlerer Kurvenradius für 1. Windung
- x
- = gerades Wicklungsteilstück
- y
- = gerades Wicklungsteilstück
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Der mittlere Kurvenradius "R1" der 1. Spulenwindung ergibt sich gemäß 2 aus dem Außenradius des Wicklungsträgers r, der Roebelleiterdicke "RD", gegebenenfalls der zusätzlichen Isolationsdicke "ID" (dabei ist gemäß 2 die Gesamtisolationsdicke ID, wobei sich ID/2 oberhalb und ID/2 unterhalb des Roebelleiters mit der Dicke RD befinden) sowie gegebenenfalls der Vergussmassendicke (zwischen den Roebelleiterwindungen) "VD" gemäß dem Zusammenhang: R1 = R0 + VD + 0,5 × (RD + ID) mit:
- R1
- = mittlerer Kurvenradius für 1. Windung
- R0
- = äußerer Kurvenradius des Wicklungsträgers WT
- RD
- = Roebelleiterdicke
- ID
- = Dicke der zusätzlichen Isolation
- VD
- = Dicke der Vergussmasse
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Mit jeder weiteren Windung nimmt der Kurvenradius um ∆R und damit die Windungslänge Lz um "∆L" zu: ∆R = RD + ID + VD ∆L = 2 × π × ∆R = 2 × π × (RD + ID + VD) mit:
- ∆R
- = Zunahme des mittlerer Kurvenradius pro Windung
- RD
- = Roebelleiterdicke
- ID
- = Dicke der zusätzlichen Isolation
- VD
- = Dicke der Vergussmasse
- ∆L
- = Zunahme des Windungslänge pro Spulenwindung
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Damit gilt für die 2. Spulenwindung: L2 = 2 × (R1 + ∆R) × π + 2 × x + 2 × y
= 2 × (R0 + VD + 0,5 × (RD + ID) + (RD + ID + VD)) × π + 2 × x + 2 × y V2 = L2/(2 × q + 1)
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Allgemein ergibt sich für die Windung "z" Lz = 2 × Rz × π + 2 × x + 2 × y
= 2 × (R1 + (z – 1) × ∆R) × π + 2 × x + 2 × y
= 2 × (R0 + VD + 0,5 × (RD + ID) + (z – 1) × (RD + ID + VD)) × π + 2 × x + 2 × y Vz = Lz/(2 × q + 1) mit:
- Vz
- = Volltranspositionslänge innerhalb der Spulenwindung "z"
- Lz
- = Länge der Spulenwindung "z"
- q
- = natürliche Zahl
- z
- = Windungsnummer auf zu wickelnder HTS-Roebelleiterspule
- Rz
- = mittlerer Radius der Spulenwindung "z"
- R0
- = äußerer Kurvenradius des Wicklungsträgers WT
- VD
- = Dicke der Vergussmasse
- RD
- = Roebelleiterdicke
- ID
- = zusätzliche Isolationsdicke
- x
- = gerades Wicklungsteilstück
- y
- = gerades Wicklungsteilstück
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Ein für eine HTS-Roebelleiterspule mit "n" Windungen benötigter Leiter setzt sich demnach erfindungsgemäß zusammen aus:
einem Leiterstück der Länge "L1" mit der Volltranspositionslänge "V1",
einem Leiterstück der Länge "L2" mit der Volltranspositionslänge "V2",
einem Leiterstück der Länge "L3" mit der Volltranspositionslänge "V3",
...
einem Leiterstück der Länge "Ln" mit der Volltranspositionslänge "Vn".
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Ein gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung gefertigter Roebelleiter HTSR mit den unterschiedlichen langen Teilstücken mit jeweils unterschiedlichen Volltranspositionslängen Vz wird dazu in einem Stück ohne Unterbrechungen gefertigt.
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Da die Teileiterlängen sich in jeder Windung der Spule ausgleichen, entsteht keine Beulung von Einzelleitern durch wicklungsbedingte Überlängen. Durch den Längenausgleich innerhalb jeder Windung wird sicher vermieden, dass durch axialen Versatz von einzelnen Teilleitern des Roebelleiters, d.h. durch das Bilden einer Leiterbeule, der Verbundleiter geschädigt bzw. zerstört wird. Durch den Längenausgleich innerhalb einer Windung der zu wickelnden Spule wird der im schlimmsten Fall auftretende axiale Versatz – der innerhalb einer halben Windung auftritt – eines Teilleiters gegen einen anderen Teilleiter des Verbundleiters beschränkt auf: maximaler Versatz = Roebelleiterdicke·π, d. h. bei einer angenommenen Roebelleiterdicke von z.B. 1,3 mm (z.B. 15 Teilleiter, je 0,15mm Dicke, d.h. theoretische Dicke des Verbundleiters ist 8 × 0,15 = 1,2 mm) würde der maximale Versatz, der kurzzeitig während des Wickelns auftritt, also bei ca. 4 mm liegen.
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Die Erfindung gilt auch analog für von außen nach innen gewickelte Spulen aus Roebelleitern HTSR bzw. HTS-Roebelleitern. In diesem Fall ist die Volltranspositionslänge Vz natürlich an die dann von Windung zu Windung abnehmenden Kurvenradien Rz anzupassen.
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Die Erfindung schließt auch den Fall ein, dass beispielsweise parallel zum Roebelleiter noch weitere Komponenten wie ein oder mehrere Bänder (z.B. Stahlband oder Isolationsband) oder weitere Roebelleiter gewickelt werden, deren Dicken dann natürlich ebenfalls bei der Bestimmung der je Windung benötigten Leiterlänge und der davon abhängigen Volltranspositionslänge zu berücksichtigen sind.
