DE102013207222A1

DE102013207222A1 - Wicklungsträger, elektrische Spule und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule

Info

Publication number: DE102013207222A1
Application number: DE102013207222.8A
Authority: DE
Inventors: Marijn Pieter Oomen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2014-10-23
Also published as: US9117576B2; US20140312999A1; KR20140126257A; CN104111430B; CN104111430A

Abstract

Es wird ein Wicklungsträger mit wenigstens zwei Teilstücken zur Wicklung einer elektrischen Doppelspule in zwei parallel liegenden Wicklungsebenen senkrecht zu einer Wicklungsachse angegeben. Die wenigstens zwei Teilstücke weisen jeweils eine ringförmige Struktur mit untereinander gleicher Grundfläche und jeweils eine Außenfläche auf, die auf dem Mantel eines geraden Zylinders liegt. Jedes der Teilstücke weist wenigstens eine schlitzförmige Ausnehmung auf, deren Längsrichtung sich wenigstens über einen Teil der Höhe des jeweiligen Zylindermantels erstreckt. Die wenigstens zwei Teilstücke sind so miteinander verbunden oder verbindbar, dass sie in Richtung der Wicklungsachse seitlich versetzt benachbart angeordnet sind und dass die Ausnehmungen der beiden Teilstücke einen gemeinsamen, sich über beide Teilstücke erstreckenden Schlitz bilden. Weiterhin wird eine elektrische Spule mit wenigstens einem solchen Wicklungsträger und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spule angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wicklungsträger für eine elektrische Spule und eine elektrische Spule mit einem solchen Wicklungsträger sowie ein Herstellungsverfahren für eine elektrische Spule.
Zur Erzeugung starker, homogener Magnetfelder werden supraleitende Spulen verwendet, die im Dauerkurzschlussstrom-Modus betrieben werden. Homogene Magnetfelder mit magnetischen Flussdichten zwischen 0.5 T und 20 T werden beispielsweise für die Magnetische Kernresonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) und für die Magnetresonanzbildgebung benötigt. Diese Magnete werden typischerweise über einen äußeren Stromkreis aufgeladen und dann von der äußeren Stromquelle getrennt, da in dem resultierenden Dauerkurzschlussstrom-Modus ein nahezu verlustfreier Stromfluss über die supraleitende Spule stattfindet. Das resultierende, starke Magnetfeld ist zeitlich besonders stabil, da es nicht von den Rauschbeiträgen eines äußeren Stromkreises beeinflusst wird.
Bei Verwendung bekannter Wicklungstechniken werden ein oder mehrere supraleitende Drähte auf Tragkörper gewickelt, wobei unterschiedliche Drahtabschnitte über Drahtverbindungen mit möglichst kleinem ohmschen Widerstand oder über supraleitende Verbindungen miteinander kontaktiert werden. Für klassische Niedertemperatursupraleiter wie NbTi und Nb₃Sn mit Sprungtemperaturen unterhalb von 23 K existieren Technologien zur Herstellung supraleitender Kontakte zur Verknüpfung von Drahtabschnitten und zur Verbindung der Wicklungen mit einem supraleitenden Dauerstromschalter. Der supraleitende Dauerstromschalter ist dabei Teil des Stromkreises der Spule und wird zur Einspeisung eines äußeren Stromes durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt. Nach Abschalten der Heizung und Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur wird auch dieser Teil der Spule wieder supraleitend.
Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-T_c-Supraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Kuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind besonders attraktiv für die Herstellung von Magnetspulen für die NMR-Spektroskopie und die Magnetresonanzbildgebung, da manche Materialien hohe obere kritische Magnetfelder von über 20 T aufweisen. Durch die höheren kritischen Magnetfelder eignen sich die HTS-Materialien prinzipiell besser als die Niedertemperatursupraleiter zur Erzeugung hoher Magnetfelder von beispielsweise über 10 T.
Ein Problem bei der Herstellung von HTS-Magnetspulen ist das Fehlen von geeigneten Technologien zur Herstellung supraleitender HTS-Verbindungen, insbesondere für HTS der zweiten Generation, sogenannten 2G-HTS. Die 2G-HTS-Drähte liegen typischerweise in Form von flachen Bandleitern vor. Wenn ohmsche Kontakte zwischen den supraleitenden Bandleitern eingefügt werden, können die Verluste in der Spule nicht mehr vernachlässigt werden, und das erzeugte Magnetfeld fällt in einem Zeitraum von einigen Stunden oder Tagen merklich ab (vgl. „IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 12, No. 1, March 2002, Seiten 476 bis 479 und „IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 18, No. 2, June 2008, Seiten 953 bis 956).
In der DE 10 2010 042 598 A1 wird eine supraleitende MR-Magnetanordnung angegeben, die einen supraleitenden Bandleiter aufweist, der in Längsrichtung mit einem Schlitz zwischen den beiden Enden versehen ist, so dass der supraleitende Bandleiter eine den Schlitz umschließende geschlossene Schleife bildet. Der supraleitende Bandleiter ist in der Magnetanordnung zu mindestens einer Doppelspule aus zwei Teilspulen aufgewickelt, die so gegeneinander verdreht angeordnet sind, dass sie in einem Messvolumen einen vorgegebenen Magnetfeldverlauf erzeugen. Die in der DE 10 2010 042 598 A1 offenbarte Wicklung kann als frei tragender Spulenkörper oder als Spulenwicklung auf einem Wicklungsträger ausgestaltet sein.
Bekannte Wicklungsträger haben typischerweise die Form von Hohlzylindern mit beispielsweise kreisförmigen Grundflächen, bei denen die Spulenwicklung mit einem vorgegebenen Wickelzug auf die Außenfläche des Hohlzylinders aufgewickelt wird. Bei Anwendungen im Magnetresonanzbereich bleibt der Innenraum des Hohlzylinders frei und bildet ein von außen zugängliches Probenvolumen. Bei der in der DE 10 2010 042 598 A1 offenbarten Spulenanordnung ist die Verwendung eines herkömmlichen Wicklungsträgers problematisch, da bei herkömmlicher Wickeltechnik ein Ende des Bandleiters auf den Wicklungsträger zu liegen kommt und durch den Wickelzug der nachfolgenden Wicklungen fest auf den Wicklungsträger gedrückt wird. Eine solche mechanische Fixierung des Bandleiterendes auf dem Wicklungsträger verhindert eine Beweglichkeit der einzelnen Teilspulen gegeneinander, wodurch eine Verdrehung der Spulen zur Erzeugung eines vorgegebenen gemeinsamen Magnetfeldverlaufs erschwert oder verhindert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wicklungsträger anzugeben, der die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Spule mit einem solchen Wicklungsträger sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche elektrische Spule anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Wicklungsträger, die in Anspruch 10 beschriebene elektrische Spule sowie das in Anspruch 13 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
Der erfindungsgemäße Wicklungsträger umfasst wenigstens zwei Teilstücke zur Wicklung einer elektrischen Doppelspule in zwei parallel liegenden Wicklungsebenen senkrecht zu einer Wicklungsachse. Die wenigstens zwei Teilstücke weisen jeweils eine ringförmige Struktur mit untereinander gleicher Grundfläche und jeweils eine Außenfläche auf, die auf dem Mantel eines geraden Zylinders liegt. Jedes der Teilstücke weist wenigstens eine schlitzförmige Ausnehmung auf, deren Längsrichtung sich wenigstens über einen Teil der Höhe des jeweiligen Zylindermantels erstreckt. Die wenigstens zwei Teilstücke sind so miteinander verbunden oder verbindbar, dass sie in Richtung der Wicklungsachse seitlich versetzt benachbart angeordnet sind und dass die Ausnehmungen der beiden Teilstücke einen gemeinsamen, sich über beide Teilstücke erstreckenden Schlitz bilden.
Unter einem geraden Zylinder soll hier nach der allgemeinen geometrischen Definition ein Körper verstanden werden, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer zu ihr senkrecht stehenden Gerade entsteht. Die Form ist also nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche beschränkt. Zweckmäßig liegen die Wicklungsebenen jeder Teilspule zwischen den Grundflächen des Zylinders des jeweiligen Teilstücks. Die Höhe des jeweiligen Zylindermantels ist dann entsprechend seine Ausdehnung in Richtung der Wicklungsachse.
Die wenigstens zwei Teilstücke des erfindungsgemäßen Wicklungsträgers sind entweder miteinander verbunden, oder sie können so miteinander verbunden werden, dass sie gemeinsam um die Wicklungsachse gedreht werden können, wodurch zwei Teilspulen einer Doppelspule gleichzeitig auf die beiden Teilstücke aufgewickelt werden können. Die Verbindung kann beispielsweise als Steckverbindung, als Klebeverbindung oder als mechanische Fixierung auf einem gemeinsamen Halter realisiert sein. Vorteilhaft sind eventuell vorhandene Verbindungsstücke auf der Innenseite der ringförmigen Teilstücke angeordnet. Zweckmäßig ist die Verbindung der beiden Teilstücke so ausgestaltet, dass sie leicht gelöst werden kann, ohne eine auf dem Wicklungsträger aufgebrachte Spulenwicklung durch zu hohe Krafteinwirkung zu schädigen. Beispielsweise kann eine Sollbruchstelle zwischen den beiden verbundenen Teilstücken vorgesehen sein.
Der erfindungsgemäße Wicklungsträger ermöglicht das gleichzeitige Wickeln von zwei Teilspulen einer Doppelspule sowie die anschließende Trennung und Änderung der gegenseitigen Orientierung der beiden Teilspulen. Insbesondere kann eine solche Doppelspule aus einem schleifenförmig zusammenhängenden Bandleiter gebildet werden.
Wesentlich hierfür ist der sich über beide Teilstücke erstreckende Schlitz, durch den ein Leiterende des schleifenförmigen Bandleiters hindurch geschoben und in das Innere des Wicklungsträgers eingeschoben werden kann. Dieses freie Ende ermöglicht nach einer Trennung der beiden Teilstücke des Wicklungsträgers eine Verdrehung und eine flexible räumliche Orientierung der beiden Teilspulen zueinander.
Die erfindungsgemäße elektrische Spule umfasst wenigstens einen erfindungsgemäßen Wicklungsträger und wenigstens einen Bandleiter zweifach zusammenhängender Topologie, der in Form einer Doppelspule mit zwei Teilspulen mit einer untereinander gleichen Anzahl von Spulenwindungen gewickelt ist. Es ist jeweils eine Teilspule auf einem Teilstück des Wicklungsträgers aufgebracht, und beide Teilspulen sind so zueinander orientiert, dass sich von ihnen bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken.
Im Sinne der Definition von „zweifach zusammenhängend“ in der geometrischen Topologie wird hier unter diesem Begriff verstanden, dass der Bandleiter die Topologie einer einfachen Schlaufe mit einem Loch besitzt. Ein solcher zweifach zusammenhängender Bandleiter kann beispielsweise durch Schlitzen eines einfach zusammenhängenden Bandleiters in Längsrichtung erfolgen, wodurch zwei Leiterzweige entstehenden, die an beiden Enden des ursprünglichen Bandes zusammenhängen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Spule liegt zum einen darin, dass eine geschlossene Leiterschleife aus einem einheitlichen Material zur Verfügung gestellt wird, ohne dass zusätzliche elektrische Kontakte geschaffen werden müssen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Verwendung des erfindungsgemäßen Wicklungsträgers es ermöglicht, die Teilspulen so flexibel zu einander zu orientieren, dass sie ein gewünschtes Magnetfeld erzeugen. Für die Erzeugung von starken Magnetfeldern ist es nötig, dass sich die Magnetfelder der Teilspulen gegenseitig verstärken und nicht gegenseitig aufheben. Dies kann nach dem gemeinsamen Wickeln durch eine Verdrehung der Teilspulen gegeneinander erreicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein erstes Leiterende eines Bandleiters zweifach zusammenhängender Topologie in den Schlitz eines ersten erfindungsgemäßen Wicklungsträgers eingeführt. Anschließend werden zwei Leiterzweige des Bandleiters auf den ersten Wicklungsträger aufgewickelt, wobei die beiden Teilstücke des ersten Wicklungsträgers während des Aufwickelns miteinander verbunden sind, wobei jeder der zwei Leiterzweige auf einem Teilstück des ersten Wicklungsträgers zu einer Teilspule gewickelt wird und wobei beide Teilspulen gleichzeitig durch Drehung des ersten Wicklungsträgers um eine gemeinsame Wicklungsachse hergestellt werden. Anschließend werden beide Teilspulen durch Trennung der beiden Teilstücke des ersten Wicklungsträgers voneinander getrennt und danach räumlich so angeordnet, dass sich von ihnen bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist analog zu den vorab beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Wicklungsträgers und der erfindungsgemäßen Spule. Insbesondere erlaubt das Einführen eines Leiterendes des Bandleiters in den Schlitz die spätere Trennung und flexible Orientierung der Teilspulen zueinander. Im Falle einer kreisförmigen Wicklungsgeometrie ist die Länge des Leiterendes vorteilhaft wenigstens so groß wie der Innendurchmesser der Wicklung. Bei anderen Wicklungsgeometrien ist er vorteilhaft wenigstens so groß wie der kleinste innere Querschnitt der Wicklung. Die Länge des in den Schlitz eingeführten Leiterendes kann vorteilhaft größer als das zehnfache der Breite des Bandleiters sein. Durch das gleichzeitige Wickeln erhalten beide Teilspulen dieselbe Anzahl an Windungen, und bei Verwendung eines gleichmäßig dicken Bandleiters erhalten sie auch dieselbe Wicklungshöhe. Es können zusätzlich weitere Verfahrensschritte vorgesehen sein wie beispielsweise eine Imprägnierung der Teilspulen mit einem Imprägniermittel oder der Verguss der Teilspulen mit einem Vergussmittel. Nach dem Anordnen der Teilspulen in der benötigten räumlichen Orientierung können die Teilspulen und die überstehenden Enden des Bandleiters fixiert werden, beispielsweise durch Verguss, Verkleben oder mechanische Fixierung mit einem Halter. Das innenliegende Ende des Bandleiters wird dabei vorteilhaft so aus dem inneren Bereich des Wicklungsträgers herausgeführt, dass ein möglichst großer Teil des Innenraums als Probenvolumen frei ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1, 10 und 13 abhängigen Ansprüchen hervor.
Demgemäß kann der Wicklungsträger zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Jede der schlitzförmigen Ausnehmungen der wenigstens zwei Teilstücke kann zwei erste Begrenzungsflächen aufweisen, die senkrecht zu der Wicklungsebene liegen, zueinander im Wesentlichen parallel verlaufen und an der Außenfläche des jeweiligen Teilstücks einen Winkel von höchstens 20 Grad mit dem jeweiligen Zylindermantel bilden. Durch diese Ausbildung der Ausnehmungen wird eine einfache Einführung des zu wickelnden Bandleiters in den Wicklungsträger ermöglicht, wobei der Bandleiter höchstens einer schwachen Knickbelastung ausgesetzt ist. Besonders vorteilhaft bilden die ersten Begrenzungsflächen an der Außenfläche des jeweiligen Teilstücks einen Winkel von höchstens 10 Grad mit dem jeweiligen Zylindermantel.
Die beiden ersten Begrenzungsflächen können gebogene Flächen sein, die an der Außenfläche des jeweiligen Teilstücks einen Winkel von höchstens 10 Grad mit dem jeweiligen Zylindermantel bilden. Besonders vorteilhaft ist der Winkel mit dem jeweiligen Zylindermantel höchstens 5 Grad. Die Ausgestaltung mit gebogenen ersten Begrenzungsflächen ermöglicht die Ausbildung eines besonders flachen Schlitzes mit einem besonders geringen Winkel zur Außenfläche der Teilstücke, so dass der Bandleiter beim Einführen in den Schlitz eine besonders geringe mechanische Belastung erfährt.
Die Außenflächen der wenigstens zwei Teilstücke können beide auf dem Mantel eines gemeinsamen geraden Zylinders liegen. Die Grundfläche kann eine Fläche mit wenigstens zweizähliger Rotationssymmetrie sein. Besonders vorteilhaft sind Grundflächen in Form eines Kreises, einer Ellipse, eines Ovals, einer Rennbahngeometrie oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken. Ein solcher symmetrischer Aufbau bewirkt, dass zwei mit Hilfe des Wicklungsträgers hergestellte Teilspulen nach einem Wenden einer Teilspule wieder auf einer gemeinsamen Grundfläche benachbart angeordnet werden können.
Die schlitzförmige Ausnehmung kann sich in wenigstens einem der Teilstücke nur über einen Teil der Höhe des jeweiligen Zylindermantels erstrecken. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der von der Ausnehmung nicht betroffene Teil der Zylinderhöhe einen ununterbrochenen Ring bildet, so dass die mechanische Festigkeit und Formtreue des Teilstücks im Vergleich zu einer völlig durchbrochenen Ausführung erhöht ist.
Die wenigstens zwei Teilstücke können in Richtung der Wicklungsachse eine unterschiedlich große Ausdehnung aufweisen. Die durch die beiden Teilstücke gegebenen Zylindermäntel weisen dann also eine unterschiedliche Höhe auf. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass ein asymmetrisch geschlitzter Bandleiter passgenau auf die Teilstücke aufgewickelt werden kann. Ein solcher asymmetrisch geteilter Wicklungsträger ist also besonders geeignet zur Herstellung von unterschiedlich breiten Teilspulen. So können Teilspulen mit unterschiedlicher Stromtragfähigkeit gebildet werden, beispielsweise zur Anpassung an lokale Magnetfelder in einem Magnetresonanzgerät, zur Erzeugung von vorgegebenen inhomogenen Magnetfeldverteilungen und/oder zur Maximierung des Gesamtstroms in Abhängigkeit von lokalen Gegebenheiten in einem komplexen Spulensystem aus mehreren Magnetspulen.
Wenigstens ein Teilstück des Wicklungsträgers kann mit einem ringförmigen Endstück verbunden sein, dessen Grundfläche innerhalb der Wicklungsebene größer ist als die des zugehörigen Teilstücks und das auf der dem benachbarten Teilstück abgewandten Seite angeordnet ist. Ein solches nach außen hervor stehendes Endstück bewirkt, dass ein auf das zugehörige Teilstück aufgewickelter Leiterzweig des Bandleiters axial nach außen hin gehalten wird. Die seitliche Lage der Windungen wird axial nach außen hin durch das Endstück begrenzt, was zu einer größeren geometrischen Genauigkeit der erhaltenen Wicklung führt. Ein solches Endstück kann so ausgestaltet sein, dass es nach dem Aufwickeln der Spule wieder entfernt werden kann, so dass es den axialen Platzbedarf der Spule nicht erhöht. Beispielsweise kann das Endstück vor der Härtung eines Imprägniermittels der Spule oder vor dem Verguss mit einer Vergussmasse entfernt werden.
Wenigstens ein Teilstück kann mit einem ringförmigen Mittelstück verbunden sein, dessen Grundfläche innerhalb der Wicklungsebene größer ist als die des zugehörigen Teilstücks und das auf der dem benachbarten Teilstück zugewandten Seite angeordnet ist. Ein solches Mittelstück bewirkt, dass ein auf ein benachbartes Teilstück aufgewickelter Leiterzweig des Bandleiters axial nach innen hin gehalten wird. Die seitliche Lage der Windungen wird axial nach innen hin durch das Mittelstück begrenzt, was zu einer größeren geometrischen Genauigkeit der erhaltenen Wicklung führt. Zwischen den beiden Teilstücken des Wicklungsträgers können ein oder mehrere solche Mittelstücke angeordnet sein. Ein solches Mittelstück kann ähnlich wie das zuvor beschriebene Endstück so ausgestaltet sein, dass es nach dem Aufwickeln der Spule wieder von dem Teilstück oder den beiden Teilstücken getrennt werden kann.
Das wenigstens eine Mittelstück dieser Ausführungsform kann wenigstens eine schlitzförmige Ausnehmung aufweisen, die in einem verbundenen Zustand der beiden Teilstücke zusammen mit den Ausnehmungen der beiden Teilstücke einen gemeinsamen, sich über beide Teilstücke erstreckenden Schlitz bildet. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass ein Leiterende des aufzuwickelnden Bandleiters durch das Mittelstück und die beiden Teilstücke hindurch in das Innere des Wicklungsträgers gesteckt werden kann.
Weist das wenigstens eine Mittelstück keine solche schlitzförmige Ausnehmung auf, dann kann das Mittelstück alternativ so ausgebildet sein, dass es erst nach dem Einführen eines Leiterendes des Bandleiters in den Schlitz der beiden Teilstücke von außen zwischen die Teilstücke eingelegt wird. Hierzu kann das Mittelstück beispielsweise zwei Halbringe umfassen, die durch Einführen zwischen die beiden Teilstücke zu einem ringförmigen Mittelstück zusammengefügt werden.
Die erfindungsgemäße elektrische Spule kann zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Die Spule kann wenigstens zwei erfindungsgemäße Wicklungsträger und wenigstens einen Bandleiter zweifach zusammenhängender Topologie aufweisen und somit wenigstens zwei Paare von Teilspulen umfassen, bei denen jeweils innerhalb eines Paars die Anzahl von Spulenwindungen gleich ist. Besonders vorteilhaft kann ein einziger zweifach zusammenhängender Bandleiter so auf zwei Wicklungsträger aufgewickelt sein, dass jedes seiner beiden Enden durch den Schlitz eines Wicklungsträgers durchgesteckt ist und jeweils ein mit diesem jeweiligen Ende verbundener Abschnitt der beiden zusammenhängenden Leiterzweige des Bandleiters auf den jeweiligen Wicklungsträger aufgewickelt ist. In dieser Ausführungsform ist also ein Bandleiter auf vier Teilspulen aufgewickelt, die jeweils paarweise gleichzeitig gewickelt sind und somit paarweise die gleiche Wicklungshöhe aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich zu dieser Wicklungsform kann ein Bandleiter auch so auf mehrere Wicklungsträger aufgewickelt sein, dass nicht endständige Bereiche der Leiterzweige auf eigenen Wicklungsträgern aufgewickelt sind. Besonders vorteilhaft kann eine Spule einen Bandleiter und vier Wicklungsträger umfassen, so dass vier symmetrische Paare von Teilspulen vorliegen, von denen zwei Paare Bandleiterabschnitte umfassen, die nahe den Leiterenden eines geschlitzten Bandleiters liegen, und zwei Paare Bandleiterabschnitte im mittleren Bereich des geschlitzten Bandleiters umfassen.
Es können auch mehrere erfindungsgemäße elektrische Spulen mit mehreren Bandleitern in einer gemeinsamen Magnetspule angeordnet sein.
Der Bandleiter zweifach zusammenhängender Topologie kann ein geschlitzter Bandleiter mit einer durchgehend supraleitenden Schicht sein. Besonders vorteilhaft ist die supraleitende Schicht eine Schicht eines Hochtemperatursupraleiters, insbesondere einer Verbindung des Typs REBa₂Cu₃O_x, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Die durchgehend supraleitende Schicht ist über die gesamte zusammenhängende Schlaufe hinweg supraleitend verbunden, ohne dass eine Verknüpfung mit einem ohmschen Kontakt existiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusätzlich folgende Schritte aufweisen: Einführen eines zweiten Leiterendes des Bandleiters in den Schlitz eines zweiten erfindungsgemäßen Wicklungsträgers und Zurückwickelns eines Teilstücks des Bandleiters auf den zweiten erfindungsgemäßen Wicklungsträger. Dabei wird ein zweites Paar von Teilspulen gebildet, das nachfolgend voneinander getrennt und räumlich so angeordnet wird, dass sich von den Teilspulen des zweiten Paares bei einem Stromfluss durch den gesamten Bandleiter erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken. Diese Verfahren erlaubt es, auf einfache Weise eine Spulenanordnung aus zwei Paaren von jeweils gleichzeitig gewickelten Teilspulen herzustellen.
Alternativ oder zusätzlich können folgende Schritte vorgesehen sein: Einführen eines Teilstücks des Bandleiters in den Schlitz eines dritten erfindungsgemäßen Wicklungsträgers und Aufwickeln des Bandleiters auf den dritten Wicklungsträger, wobei ein drittes Paar von Teilspulen gebildet wird, das nachfolgend voneinander getrennt und räumlich so angeordnet wird, dass sich von den Teilspulen des dritten Paares bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken. Besonders vorteilhaft wird diese Ausführungsform des Verfahrens in Kombination mit der vorab beschriebenen Variante angewandt, bei der ein zweites Leiterende des Bandleiters in den Schlitz eines zweiten Wicklungsträgers eingeführt wird. Auf diese Weise können beispielsweise Spulenanordnungen mit vier Paaren von Teilspulen hergestellt werden, von denen zwei Paare nahe den Enden eines geschlitzten Bandleiters angeordnet sind und zwei Paare aus mittleren Abschnitten des geschlitzten Bandleiters aufgewickelt sind.
Besonders vorteilhaft kann die Herstellung solcher Spulenwicklungen unter Verwendung von Bandleitern mit durchgängig supraleitenden Schichten erfolgen. Der zweifach zusammenhängende supraleitende Bandleiter kann dann vorteilhaft aus einem einfach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiter hergestellt werden, indem das Aufschlitzen beispielsweise mit Hilfe eines Lasers oder einer Säge erfolgt. Alternativ kann die supraleitende Schicht auf ein bereits geschlitztes Substrat des Bandleiters aufgebracht werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 die schematische Draufsicht eines supraleitenden Bandleiters zweifach zusammenhängender Topologie zeigt,
2 einen Querschnitt des supraleitenden Bandleiters gemäß der Schnittebene II in 1 zeigt,
3 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Teilstücks eines Wicklungsträgers zeigt,
4 einen Wicklungsträger nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
5 eine Detailansicht der Ausnehmung eines Teilstücks zeigt,
6 eine Detailansicht einer alternativ geformten Ausnehmung eines Teilstücks zeigt,
7 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer gewickelten elektrischen Spule zeigt,
8 eine schematische Ansicht einer elektrischen Spule mit erfindungsgemäß orientierten Teilspulen zeigt,
9 schematische Querschnitte verschiedener Ausführungsformen von Wicklungsträgern zeigt,
10 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Wicklungsträgers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
11 eine schematische Ansicht eines Wicklungsträgers nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt,
12 eine schematische Ansicht eines Wicklungsträgers nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt,
13 schematisch vier Teilschritte eines ersten Herstellungsverfahrens zeigt,
14 schematisch vier Teilschritte eines zweiten Herstellungsverfahrens zeigt.
1 zeigt die schematische Draufsicht eines supraleitenden Bandleiters zweifach zusammenhängender Topologie, der durch Aufschlitzen eines einfach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiters hergestellt ist. In diesem Beispiel ist das Aufschlitzen mittels eines Lasers erfolgt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt eine Magnetspule für die NMR-Spektroskopie. In diesem Beispiel ist die Länge 7 des ursprünglich einfach zusammenhängenden Bandleiters 1000 m. Diese Länge kann aber auch wesentlich kürzer oder länger sein. In einer Magnetspule für die Magnetresonanzbildgebung kann die Länge ein Vielfaches der hier beschriebenen Länge betragen. Der supraleitende Bandleiter umfasst zwei annähernd gleich dimensionierte Leiterzweige 2 und 4. Durch den ersten Leiterzweig 2 fließt ein Strom I₂, und durch den zweiten Leiterzweig fließt ein Strom I₄ gegenläufiger Richtung, so dass durch den gesamten zweifach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiter 1 ein geschlossener Ringstrom fließt. Die Breite 8 des ursprünglichen, einfach zusammenhängenden Bandleiters beträgt in diesem Beispiel 10 mm, und die Breite der beiden Leiterzweige 2 und 4 beträgt im aufgeschlitzten Bereich jeweils 5 mm. Abhängig vom verwendeten Bandleitermaterial kann diese Breite der Leiterzweige 2, 4 aber auch wesentlich größer oder kleiner ausfallen, insbesondere kann der Bandleiter 1 auch asymmetrisch geteilt sein. Im Bereich der beiden Leiterenden 5 und 6 bleiben die beiden Leiterzweige 2 und 4 verbunden.
2 zeigt einen beispielhaften Querschnitt eines supraleitenden Bandleiters mit einem Hochtemperatur-Supraleiter zweiter Generation, in dem der Schichtaufbau schematisch dargestellt ist. In diesem Beispiel umfasst supraleitende Bandleiter 1 eine isolierende Schicht 10, mit der er fest zu einem Wicklungsband 12 verbunden ist. Die isolierende Schicht 10 ist in diesem Beispiel ein 50 µm dickes Kaptonband, sie kann aber auch aus anderen isolierenden Materialien, wie beispielsweise anderen Kunststoffen aufgebaut sein. Das ebenfalls zweifach zusammenhängende Wicklungsband 12 umfasst die beiden nebeneinanderliegenden Leiterzweige 2 und 4, wobei das gesamte Wicklungsband 12 mit diesen nebeneinanderliegenden Leiterzweigen 2 und 4 auf einer hier nicht gezeigten Vorratsrolle aufgerollt wird, und die Spuleneinrichtung durch Abwickeln des zweifach zusammenhängenden Wicklungsbandes 12 von der Vorratsrolle hergestellt wird. Der Schichtaufbau eines jeden Leiterzweiges 2, 4 umfasst über der isolierenden Schicht 10 zunächst eine normalleitende Deckschicht 14, die in diesem Beispiel eine 20 µm dicke Kupferschicht ist. Darauf folgt das Trägerband 16, das hier ein 50 µm dickes Substrat aus einer Nickel-Wolfram-Legierung ist. es sind auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Trägerband 16 ist eine 0.5 µm dicke Pufferschicht 18 angeordnet, die die oxidischen Materialien CeO₂ und Y₂O₃ enthält. Darüber folgt die eigentliche supraleitende Schicht 20, hier eine 1 µm dicke Schicht aus YBa₂Cu₃O_x, die wiederum mit einer 20 µm dicken Deckschicht 14 aus Kupfer abgedeckt ist. Die supraleitende Schicht 20 bildet eine durchgehende Schicht über die gesamte zweifach zusammenhängende Toplogie. In dem gezeigten Beispiel ist in jedem Leiterzweig 2, 4 die Breite der isolierenden Schicht 10 etwas größer als die Breite der übrigen Schichten 14 bis 20, so dass bei einer Wicklung der Spuleneinrichtung übereinander zu liegen kommende Leiterzweige 2, 4 zuverlässig gegeneinander isoliert sind. Alternativ zu dem gezeigten Beispiel können auch auf beiden Seiten des supraleitenden Bandleiters 1 isolierende Schichten 10 angeordnet sein, oder es können auch die seitlichen Bereiche des supraleitenden Bandleiters 1 durch isolierende Schichten geschützt sein. Es ist weiterhin möglich, eine isolierende Schicht erst bei der Herstellung der Spulenwicklung als separates Band in die Spuleneinrichtung einzuflechten.
3 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines ersten Teilstücks 23 eines erfindungsgemäßen Wicklungsträgers 22 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das erste Teilstück 23 weist eine Außenfläche 30 auf, die auf dem Mantel eines geraden Kreiszylinders liegt. Alternativ kann die Grundfläche des Zylinders auch eine andere Form haben, beispielsweise die Form eines Ovals oder einer Rennbahnspule. Das erste Teilstück 23 ist mit einer schlitzförmigen Ausnehmung 32 versehen, die sich über einen Teil der Höhe des Zylindermantels erstreckt, so dass das ringförmige Teilstück 23 auf einem verbleibenden Teilbereich einen geschlossenen Ring bildet.
4 zeigt einen Wicklungsträger 22 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem zwei symmetrische Teilstücke 23 und 24 so angeordnet sind, dass ihre Ausnehmungen 32 und 33 einen durchgehenden, sich über beide Teilstücke 23 und 24 erstreckenden Schlitz bilden. Beide Teilstücke 23, 24 sind bezüglich einer Wicklungsachse 26 seitlich versetzt angeordnet und so miteinander mechanisch verbunden, dass sie zusammen um die Wicklungsachse gedreht werden können. 4 zeigt schematisch einen ersten Schritt eines Herstellungsverfahrens einer elektrischen Spule, in dem ein Leiterende 5 eines supraleitenden Bandleiters 1 in die benachbart angeordneten schlitzförmigen Ausnehmungen 32, 33 eingeführt wird.
5 zeigt eine schematische Detailansicht der Ausnehmung 32 eines Teilstücks 23. Gezeigt ist ein Querschnitt innerhalb der Wicklungsebene der auf diesem Teilstück zu wickenden Spulenwicklung. Die Ausnehmung 32 weist zwei erste Begrenzungsflächen 40 auf, die senkrecht zu der Wicklungsebene der Spulenwicklung liegen, also senkrecht zur hier gezeigten Schnittebene. An der Außenfläche 30 des Teilstücks weisen die Begrenzungsflächen 40 einen Winkel α von höchstens 20 Grad mit dem Zylindermantel der Außenfläche 30 auf, wie in 5 schematisch durch den Winkel α zwischen der Tangente 38 des Zylindermantels und der Fortsetzung 36 der Eintrittsfläche angedeutet ist. Durch eine leichte Krümmung der Begrenzungsflächen 40 zum Zentrum des Wicklungsträgers hin wird erreicht, dass die Ausnehmung 32 trotz des flachen Eintrittswinkels die Wandstärke des Teilstücks 23 mit einer geringen räumlichen Ausdehnung durchdringen kann.
6 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform der Ausnehmung 32 des Teilstücks 23. Hier sind die Begrenzungsflächen 40 der Ausnehmung 32 so gebogen, dass sowohl auf der Innenseite als auch der Außenseite des hohlzylindrischen Teilstücks 23 eine Anpassung an die Krümmung des Teilstücks erreicht wird. Hierzu wechselt die Krümmung der Begrenzungsflächen 40 in einem mittleren Bereich der Dicke der Zylinderwand, wodurch ein Schlitz mit einem leicht s-förmigen Querschnitt gebildet wird. Hierdurch wird erreicht, dass ein durch den Schlitz gesteckter Bandleiter 1 sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite 30 an die Oberfläche des Teilstücks 23 angelegt werden kann, ohne stark geknickt zu werden.
7 zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht einer gewickelten elektrischen Spule nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 7 ist der Großteil des Bandleiters 1 in Form einer Doppelspule auf den Wicklungsträger 22 aufgewickelt, so dass neben dem zweiten Leiterende 6 nur ein kleiner Teilabschnitt des Bandleiters 1 außerhalb der Spulenwicklung verbleibt, der in der Länge mit dem innen durch die Ausnehmungen 32, 33 gesteckten Teil des Bandleiters 1 vergleichbar ist. Durch gleichzeitiges Drehen der beiden Teilstücke 23, 24 um die Wicklungsachse 26 sind auf dem Wicklungsträger 22 zwei symmetrische Teilspulen 45 und 46 gebildet worden, deren Wicklungsebenen parallel zueinander liegen und die nahe benachbart angeordnet sind. Bei einem ringförmigen Stromfluss durch den zweifach zusammenhängenden Bandleiter 1 würde ohne weitere Maßnahmen ein entgegengesetzter Stromfluss I₂, I₄ durch die beiden Leiterzweige 2 und 4 stattfinden. Die dadurch erzeugten Magnetfelder hätten also entgegengesetzte Feldrichtungen. Um sich gegenseitig verstärkende Magnetfelder zu erzeugen, müssen ausgehend von der Anordnung in 7 die Teilspulen 45 und 46 gegeneinander verdreht werden.
In 8 ist schematisch eine Anordnung einer elektrischen Spule 44 gezeigt, bei der die Teilspule 46 so gegen die Teilspule 45 gedreht wurde, dass nun ein gleichsinniger Stromfluss I2 und I4 erreicht wird, und die Magnetfelder der Teilspulen 45, 46 sich gegenseitig verstärken. Hierzu muss der Bandleiter 1 im Bereich der freien Leiterenden 5, 6 leicht verdreht werden. Diese freien Leiterenden können durch geeignete Maßnahmen wie Verklebung oder mechanische Halterung so fixiert werden, dass sie beispielsweise durch starke Lorenzkräfte nicht beschädigt werden. Das innere Leiterende 5 kann bevorzugt so angeordnet werden, dass ein möglichst großer Teil des Innenraums der elektrischen Spule 44 als Probenvolumen frei bleibt. Die Teilspulen 45 und 46 können noch wesentlich näher beieinander angeordnet werden als in 8 angedeutet. Für die Erzeugung sehr hoher Magnetfelder ist eine möglichst hohe Packungsdichte einzelner Spulenwicklungen entlang einer Systemachse 27 wünschenswert. Bei der elektrischen Spule 44 ist der Mindestabstand der beiden Teilspulen 45 und 46 dadurch gegeben, dass im Bereich des inneren Bandleiterendes 5 ein Leiterzweig 2 zwischen den beiden Teilspulen 45, 46 hindurch laufen muss. Je nach Orientierung dieses Abschnitts des Leiterzweigs 2 ist ein Mindestabstand der beiden Teilspulen 45, 46 also durch die Breite und/oder Dicke eines Leiterzweigs 2 gegeben.
Zur Einspeisung eines Stroms kann die elektrische Spule 44 zusätzlich hier nicht gezeigte Kontakte zur Verbindung der Spule mit einer äußeren Stromquelle umfassen. Außerdem kann die elektrische Spule 44 einen heizbaren Bereich umfassen, der durch Heizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt werden kann. Zweckmäßig werden zwei Kontakte im Bereich eines der Leiterenden 5 oder 6 so angeordnet, dass sie zu beiden Seiten des heizbaren Bereichs der Spule angeordnet sind. Dann kann über die Kontakte ein äußerer Strom in die Spule eingespeist werden, während der heizbare Bereich durch die Aufheizung in einem ohmsch leitenden Zustand ist.
Die Wahl des Materials für den Wicklungsträger 22 hängt davon ab, ob die gewickelte Spule in ihrem Betrieb auf dem Spulenträger verbleibt, oder ob sie nach dem Wickeln vom Wicklungsträger getrennt wird. In den Fällen, in denen die Spule auf dem Wicklungsträger verbleibt, kann das Material des Wicklungsträgers beispielsweise glasfaserverstärkten Kunststoff, Edelstahl, Aluminium und/oder Legierungen mit Edelstahl und/oder Aluminium umfassen.
9 zeigt schematische Querschnitte verschiedener Ausführungsformen von Wicklungsträgern 901 bis 907. Für das bisher beschriebene erste Ausführungsbeispiel entspricht der Querschnitt der in 4 gezeigten Schnittebene IX im Bereich der Ausnehmungen 32, 33. Jeder der Wicklungsträger 901 bis 907 umfasst zwei Teilstücke 23, 24, die in einem inneren Bereich mit schlitzförmigen Ausnehmungen 32, 33 versehen sind. Bei dem Wicklungsträger 901 des ersten Ausführungsbeispiels erstrecken sich die Ausnehmungen 32, 33 nur über einen Teil der Höhe des Zylindermantels, so dass in den äußeren Bereichen der Teilstücke ringförmig durchgehende Abschnitte vorhanden sind. In 9 sind die über den Umfang durchgehenden Abschnitte allgemein schraffiert gekennzeichnet, während die von den Ausnehmungen betroffenen Abschnitte durch offene Strukturen wiedergegeben sind. Auf den mit Ausnehmungen 32, 33 versehenen inneren Bereichen der Teilstücke 23, 24 liegen die beiden Teilwicklungen 51 und 52 in einer Vielzahl von Lagen des Bandleiters 1 auf.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des Wicklungsträgers 902 sind die beiden Teilstücke 23, 24 unterschiedlich breit ausgestaltet, so dass bei einer Wicklung von zwei Teilspulen 45, 46 mit einem asymmetrisch geschlitzten Bandleiter eine Doppelspule mit unterschiedlich breiten Teilwicklungen entsteht. Eine dreidimensionale schematische Darstellung eines solchen Wicklungsträgers 902 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist in 10 gezeigt.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel des Wicklungsträgers 903 sind die Teilstücke 23, 24 auf der Außenseite jeweils mit ringförmigen Endstücken 48, 49 versehen, deren Grundfläche größer ist als die der zugehörigen Teilstücke. Auf die beiden Teilstücke 23, 24 aufgebrachte Teilwicklungen 51, 52 werden so durch die beiden Endstücke 48, 49 nach außen hin begrenzt, was zu einer präziseren räumlichen Positionierung beim Wickeln führt. Die Endstücke 48, 49 sind nicht mit Ausnehmungen versehen.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel des Wicklungsträgers 904 sind die Teilstücke 23, 24 auf der Innenseite jeweils mit ringförmigen Mittelstücken 53, 54 versehen, deren Grundfläche größer ist als die der zugehörigen Teilstücke. Auf die beiden Teilstücke 23, 24 aufgebrachte Teilwicklungen 51, 52 werden so durch die beiden Mittelstücke 53, 54 nach innen hin begrenzt, was wiederum die zu einer präzisen Positionierung beim Wickeln führt.
Besonders vorteilhaft ist der Wicklungsträger 905 nach einem fünften Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl äußere Endstücke 48, 49 als auch innenliegende Mittelstücke 53, 54 mit den jeweiligen Teilstücken verbunden sind. Auf diese Weise werden die Teilwicklungen 51, 52 beidseitig in der gewünschten Position gehalten. Sowohl beim vierten als auch beim fünften Ausführungsbeispiel sind die Mittelstücke 53, 54 der Wicklungsträger 904, 905 ebenfalls mit Ausnehmungen versehen, die zusammen mit den Ausnehmungen 32, 33 der Teilstücke 23, 24 einen durchgehenden Schlitz bilden. Wie in 11 für das fünfte Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, erleichtert dies das Einführen eines Leiterendes 5 des Bandleiters in den Wicklungsträger 905.
Im Unterschied hierzu weisen die Wicklungsträger 906 und 907 des sechsten und siebten Ausführungsbeispiels Mittelstücke 53, 54 auf, die auch im Bereich der Ausnehmungen ringförmig geschlossen sind, wie durch die Schraffur der Mittelstücke 53, 54 in 9 angedeutet. Somit ist ein Einführen von Leiterenden 5 durch die Mittelstücke 53, 54 hindurch nicht möglich. 12 zeigt schematisch eine dreidimensionale Ansicht eines Wicklungsträgers 906 nach dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei wird zunächst ein Leiterende 5 des Bandleiters durch die Ausnehmungen 32, 33 der beiden Teilstücke 23, 24 eingeführt, und anschließend werden die Mittelstücke 53, 54 in Form von jeweils zwei Hälften 53a, 53b und 54a, 54b entlang einer Einschubrichtung von außen zwischen die Teilstücke 23, 24 des Wicklungsträgers 906 geschoben. Nach dem Einschieben der Mittelstücke 53, 54 können die übrigen Windungen der elektrischen Spule durch Drehen des Wicklungsträgers 906 um die Wicklungsachse 26 aufgewickelt werden.
13 zeigt vier Teilschritte eines ersten Beispiels für ein Herstellungsverfahren einer supraleitenden Spule in schematischer Seitenansicht. Im ersten Schritt 1301 wird ein Leiterende 5 eines zweifach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiters 1 in den Schlitz eines Wicklungsträgers 22 eingefädelt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt der größte Teil des verbleibenden Bandleiters 1 von einer Vorratsspule 58 entlang einer ersten Wicklungsrichtung 60 auf den Wicklungsträger 22 aufgewickelt. Es werden dabei zwei parallel liegende Spulenwicklungen in Form einer Doppelspule hergestellt. Zur Herstellung eines hierzu symmetrischen zweiten Paares von Spulenwicklungen aus demselben Bandleiter 1 wird in einem dritten Schritt 1303 das zweite Leiterende 6 in den Schlitz eines zweiten Wicklungsträgers 62 eingeführt. Anschließend wird in einem vierten Schritt 1304 ein Teilstück des Bandleiters 1 entlang einer zweiten Wicklungsrichtung 61 auf den zweiten Wicklungsträger 62 zurückgewickelt. Somit werden zwei Paare von symmetrischen Teilspulen aus einem einzigen supraleitenden Bandleiter erhalten. In hier nicht gezeigten weiteren Verfahrensschritten werden die Spulenpaare durch Trennung der jeweiligen Teilstücke der Wicklungsträger voneinander getrennt, und alle vier Teilspulen werden so zueinander angeordnet, dass sich von ihnen bei einem Stromfluss erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken. Dies geschieht analog zu der in 8 gezeigten Verdrehung der Teilspulen gegeneinander.
14 zeigt schematisch vier Teilschritte eines zweiten Beispiels für ein Herstellungsverfahren einer supraleitenden Spule. Der erste Schritt 1401 ist identisch mit dem ersten Schritt des ersten Beispiels in 13. Beim zweiten Schritt 1402 wird jedoch nur ein Teil des zweifach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiters 1 auf den ersten Wicklungsträger aufgewickelt. Beim dritten Schritt 1403 werden zwei Teilstücke eines dritten Wicklungsträgers 63 so von beiden Seiten um den Bandleiter gelegt, dass der Bandleiter 1 anschließend durch den Schlitz des dritten Wicklungsträgers 63 läuft. Im vierten Schritt 1404 wird der Großteil des verbleibenden Bandleiters 1 von der Vorratsspule 58 auf den dritten Wicklungsträger aufgewickelt. Es entsteht also eine supraleitende Spule mit zwei Paaren von symmetrischen Teilspulen, wobei die Paare voneinander verschiedene Wicklungsdurchmesser aufweisen. Auch in diesem Beispiel werden in weiteren, hier nicht gezeigten Schritten die Teilspulen der beiden Paare voneinander getrennt, und alle Einzelspulen werden so zueinander angeordnet, dass sich bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken.
In einem hier nicht gezeigten dritten Beispiel des Herstellungsverfahrens werden die beiden vorab beschriebenen Beispiele so miteinander kombiniert, dass aus jeder Hälfte des Bandleiters 1 zwei Spulenpaare mit unterschiedlichem Durchmesser gebildet werden. Es werden also die Schritte des ersten und des zweiten Verfahrensbeispiels so miteinander kombiniert, dass eine supraleitende Spule mit vier Spulenpaaren aus jeweils zwei Einzelspulen gebildet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042598 A1 [0006, 0006, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„IEEE Transactions on Applied Superconductivity“, Vol. 12, No. 1, March 2002, Seiten 476 bis 479 [0005]
„IEEE Transactions on Applied Superconductivity”, Vol. 18, No. 2, June 2008, Seiten 953 bis 956 [0005]

Claims

Wicklungsträger (22) mit wenigstens zwei Teilstücken (23, 24) zur Wicklung einer elektrischen Doppelspule in zwei parallel liegenden Wicklungsebenen senkrecht zu einer Wicklungsachse (26), wobei die wenigstens zwei Teilstücke (23, 24) jeweils eine ringförmige Struktur mit untereinander gleicher Grundfläche aufweisen und jeweils eine Außenfläche (30) aufweisen, die auf dem Mantel eines geraden Zylinders liegt, wobei jedes der wenigstens zwei Teilstücke (23, 24) wenigstens eine schlitzförmige Ausnehmung (32, 33) aufweist, deren Längsrichtung sich wenigstens über einen Teil der Höhe des jeweiligen Zylindermantels erstreckt, wobei die wenigstens zwei Teilstücke (23, 24) so miteinander verbunden oder verbindbar sind, dass sie in Richtung der Wicklungsachse (26) seitlich versetzt benachbart angeordnet sind und dass die Ausnehmungen (32, 33) der beiden Teilstücke (23, 24) einen gemeinsamen, sich über beide Teilstücke erstreckenden Schlitz bilden.
Wicklungsträger (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens zwei schlitzförmigen Ausnehmungen (32, 33) zwei erste Begrenzungsflächen (40) aufweist, die senkrecht zu der Wicklungsebene liegen, zueinander im Wesentlichen parallel verlaufen und an der Außenfläche (30) des jeweiligen Teilstücks (23, 24) einen Winkel (α) von höchstens 20 Grad mit dem jeweiligen Zylindermantel bilden.
Wicklungsträger (22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ersten Begrenzungsflächen (40) der schlitzförmigen Ausnehmungen (32, 33) gebogene Flächen sind, die an der Außenfläche des jeweiligen Teilstücks einen Winkel (α) von höchstens 10 Grad mit dem jeweiligen Zylindermantel bilden.
Wicklungsträger (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen (30) der wenigstens zwei Teilstücke (23, 24) beide auf dem Mantel eines gemeinsamen geraden Zylinders liegen, der eine Grundfläche mit wenigstens zweizähliger Rotationssymmetrie aufweist.
Wicklungsträger (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmige Ausnehmung (32, 33) sich in wenigstens einem der Teilstücke (23, 24) nur über einen Teil der Höhe des jeweiligen Zylindermantels erstreckt.
Wicklungsträger (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Teilstücke (23, 24) in Richtung der Wicklungsachse (26) eine unterschiedlich große Ausdehnung aufweisen.
Wicklungsträger (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Teilstück (23, 24) mit einem ringförmigen Endstück (48, 49) verbunden ist, dessen Grundfläche größer ist als die des zugehörigen Teilstücks (23, 24) und das auf der dem benachbarten Teilstück (23, 24) abgewandten Seite angeordnet ist.
Wicklungsträger (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens ein Teilstück (23, 24) mit einem ringförmigen Mittelstück (53, 54) verbunden ist, dessen Grundfläche größer ist als die des zugehörigen Teilstücks (23, 24) und das auf der dem benachbarten Teilstück (23, 24) zugewandten Seite angeordnet ist.
Wicklungsträger (22) nach Anspruch 8, bei dem das wenigstens eine Mittelstück (53, 54) eine schlitzförmige Ausnehmung aufweist, die in einem verbundenen Zustand der beiden Teilstücke (23, 24) zusammen mit den Ausnehmungen (32, 33) der beiden Teilstücke (23, 24) einen gemeinsamen, sich über beide Teilstücke (23, 24) erstreckenden Schlitz bildet.
Elektrische Spule (44) mit einem Wicklungsträger (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Bandleiter (1) zweifach zusammenhängender Topologie, der in Form einer Doppelspule mit zwei Teilspulen (45, 46) mit einer untereinander gleichen Anzahl von Spulenwindungen gewickelt ist, wobei jeweils eine Teilspule (45, 46) auf einem Teilstück (23, 24) des Wicklungsträgers (22) aufgebracht ist und wobei die beiden Teilspulen (45, 46) so zueinander orientiert sind, dass sich von ihnen bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter (1) erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken.
Elektrische Spule (44) nach Anspruch 10 mit wenigstens zwei Wicklungsträgern (22, 62) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und wenigstens einem Bandleiter (1) zweifach zusammenhängender Topologie, die wenigstens zwei Paare von Teilspulen (45, 46) umfasst, bei denen jeweils innerhalb eines Paars die Anzahl von Spulenwindungen gleich ist.
Elektrische Spule (44) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Bandleiter (1) zweifach zusammenhängender Topologie ein geschlitzter Bandleiter mit einer durchgehend supraleitenden Schicht (20) ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule (44), das wenigstens folgende Schritte aufweist: – Einführen eines ersten Leiterendes (5) eines Bandleiters (1) zweifach zusammenhängender Topologie in den Schlitz eines ersten Wicklungsträgers (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, – Aufwickeln von zwei Leiterzweigen (2, 4) des Bandleiters (1) auf den ersten Wicklungsträger (22), wobei die beiden Teilstücke (23, 24) des ersten Wicklungsträgers (22) miteinander verbunden sind, wobei jeder der zwei Leiterzweige (2, 4) auf einem Teilstück (23, 24) des ersten Wicklungsträgers (22) zu einer Teilspule (45, 46) gewickelt wird und wobei beide Teilspulen (45, 46) gleichzeitig durch Drehung des ersten Wicklungsträgers (22) um eine gemeinsame Wicklungsachse (26) hergestellt werden, – Trennung der beiden Teilspulen (45, 46) durch Trennung der beiden Teilstücke (23, 24) des ersten Wicklungsträgers (22), – räumliche Anordnung der beiden Teilspulen (23, 24), so dass sich von ihnen bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter (1) erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken.
Verfahren nach Anspruch 14, das nach dem ersten Aufwickeln von zwei Leiterzweigen (2, 4) zusätzlich folgende Schritte aufweist: – Einführen eines zweiten Leiterendes (6) des Bandleiters (1) in den Schlitz eines zweiten Wicklungsträgers (62) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, – Zurückwickeln eines Teilstücks des Bandleiters (1) auf den zweiten Wicklungsträger (62), wobei ein zweites Paar von Teilspulen (45, 46) gebildet wird, das nachfolgend voneinander getrennt und räumlich so angeordnet wird, dass sich von den Teilspulen (45, 46) des zweiten Paares bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter (1) erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, das nach dem ersten Aufwickeln von zwei Leiterzweigen (2, 4) zusätzlich folgende Schritte aufweist: – Einführen eines Teilstücks des Bandleiters (1) in den Schlitz eines dritten Wicklungsträgers (63) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 – und Aufwickeln des Bandleiters (1) auf den dritten Wicklungsträger (63), wobei ein drittes Paar von Teilspulen (45, 46) gebildet wird, das nachfolgend voneinander getrennt und räumlich so angeordnet wird, dass sich von den Teilspulen (45, 46) des dritten Paares bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter (1) erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken.