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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung mit einem in Längsrichtung geschlitzten zweifach zusammenhängenden Bandleiter sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens.
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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.
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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.
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Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-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.
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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
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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.
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Auch in der
DE 10 2011 082 652 B4 wird eine Magnetspulenanordnung mit einem geschlitzten supraleitenden Bandleiter sowie zusätzlich ein Herstellungsverfahren für eine solche Magnetspulenanordnung angegeben. Bei dem offenbarten Herstellungsverfahren werden die beiden Halbbänder des Bandleiters zunächst jeweils auf eine Zwischenspule aufgewickelt. Anschließend werden im Wechsel von den Zwischenspulen Windungen des ersten und zweiten Halbbandes auf einen gemeinsamen Wickelkörper gewickelt.
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In der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 207 222.8 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Spule mit einem geschlitzten Bandleiter offenbart. Hier werden die beiden Leiterzweige des Bandleiters gleichzeitig auf zwei nebeneinanderliegende Teilstücke eines Wicklungsträgers aufgewickelt.
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Bei dem im Stand der Technik beschriebenen Spulenanordnungen und den zugehörigen Herstellungsverfahren ist nicht näher beschrieben, wie während der Herstellung ein gleichbleibender Wickelzug für beide Leiterzweige gewährleistet werden kann. Bei der in der Anmeldung 102013207222.8 angedeuteten parallel verlaufenden Leiterführung ist die Einhaltung eines konstanten Wickelzuges für jeden Leiterzweig schwierig, da die beiden Leiterzweige leichte Abweichungen in ihren Längen und/oder ihrer Dehnbarkeit unter Zug aufweisen können. Ein einheitlicher und konstanter Wickelzug ist aber für die Qualität und die Maßhaltigkeit der resultierenden Spulenwicklung von großer Wichtigkeit. Insbesondere ist ein einheitlicher Wickelzug wichtig, um eine Spulenwicklung ohne Einschlüsse und/oder Hohlräume herstellen zu können. Bei dem in der
DE 10 2011 082 652 B4 offenbarten Herstellungsverfahren unter Verwendung von zwei Zwischenspulen werden die Leiterzweige nicht parallel geführt. Sie werden bei allen Varianten des offenbarten Herstellungsverfahrens gegeneinander und/oder aus der Ebene der Spulenwicklung herausgedreht, mit anderen Worten, sie werden um eine Achse in Richtung ihrer Längsausdehnung tordiert. Diese Torsion führt zu einer Belastung der supraleitenden Bandleiter, die zu einer Schädigung der Materialien sowie ihrer elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die Erfindung ein Verfahren angeben, bei dem eine Torsion der Leiterzweige während der Wicklung minimiert wird und/oder bei dem ein gleichmäßiger Wickelzug auf jedem der zu wickelnden Leiterzweige anliegen kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren sowie die in Anspruch 15 beschriebene Vorrichtung gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung mit einem in Längsrichtung geschlitzten, zweifach zusammenhängenden Bandleiter, der einen ersten und einen zweiten Leiterzweig aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
Die Leiterzweige des geschlitzten Bandleiters werden von einem Abwickler abgewickelt. Die Leiterzweige des geschlitzten Bandleiters werden auf einen Wicklungsträger aufgewickelt. Dabei werden die beiden Leiterzweige auf ihrem Weg zwischen Abwickler und Wicklungsträger in zwei zueinander parallel verlaufenden Führungsebenen geführt, und die beiden Leiterzweige werden zumindest in einem Teilbereich zwischen Abwickler und Wicklungsträger in einer parallel zu den Führungsebenen verlaufenden Richtung voneinander beabstandet geführt.
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Der Spulenwicklung liegt also ein geschlitzter Bandleiter zugrunde, der eine zweifach zusammenhängende Topologie aufweist. 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. Durch mehrfaches Schlitzen in Längsrichtung kann auch ein zweifach zusammenhängender Bandleiter mit mehr als zwei Leiterzweigen gebildet werden und entsprechend für das Herstellungsverfahren verwendet werden.
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Vor der Durchführung der genannten Verfahrensschritte liegen die wenigstens zwei Leiterzweige der zu bildenden Spule auf einem Abwickler aufgewickelt vor. Bevorzugt liegen die beiden Leiterzweige in einer Vielzahl von Windungen auf einem solchen Abwickler aufgewickelt vor. Von diesem Abwickler werden sie nun bevorzugt beide gleichzeitig abgewickelt. In einem nachgelagerten Schritt werden nun die bereits vom Abwickler abgewickelten Bereiche der beiden Leiterzweige auf einen Wicklungsträger aufgewickelt. Auch dieses Aufwickeln der beiden Leiterzweige findet bevorzugt gleichzeitig statt, so dass aus den beiden Leiterzweigen zwei Teilspulen mit bevorzugt untereinander gleicher Windungszahl entstehen.
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Wesentlich ist, dass in einem Bereich zwischen Abwickler und Wicklungsträger die beiden Leiterzweige in zwei parallel zueinander verlaufenden Führungsebenen geführt werden. Mit „zwischen“ ist hierbei der Bereich auf dem Weg der Leiterzweige vom Abwickler zum Wicklungsträger gemeint. Dieser Weg muss nicht unbedingt geradlinig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt werden die beiden Leiterzweige im gesamten Bereich auf dem Weg vom Abwickler zum Wicklungsträger in zwei parallel zueinander verlaufenden Führungsebenen geführt. Ausgenommen sollen hierbei lediglich die Endbereiche des Bandleiters im Bereich der noch verbundenen Leiterenden sein, da hier durch eine leichte Spreizung ein Abstand zwischen den beiden Leiterzweigen geschaffen werden kann. Somit können in diesen Endbereichen die Führungsebenen der beiden Leiterzweige geringfügig verlassen werden. Mit Ausnahme dieser Endbereiche, deren Länge beispielsweise bis zu einem Zehnfachen der Breite des Bandleiters betragen kann, werden die Leiterzweige also vorteilhaft durchgehend jeder in seiner eigenen Führungsebene geführt. Durch die Führung innerhalb dieser beiden Führungsebenen kann vorteilhaft erreicht werden, dass beide Leiterzweige im Bereich zwischen Abwickler und Wicklungsträger nicht um ihre lokale Längsachse tordiert werden. Die Führungsebenen entsprechen dabei vorteilhaft den Wicklungsebenen der Leiterzweige auf dem Abwickler und/oder auf dem Wicklungsträger.
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Nach einem zweiten wesentlichen Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beiden Leiterzweige so voneinander beabstandet geführt, dass sich bei einer Projektion der beiden Leiterzweigwege in eine beliebige der beiden Führungsebenen ein Abstand innerhalb dieser Führungsebene ergibt. Mit anderen Worten, die beiden Leiterzweige sind nicht nur in einer Richtung senkrecht zu den beiden Führungsebenen voneinander beabstandet, sondern sie weisen auch eine Abstandskomponente innerhalb der Richtungen der Führungsebenen auf. Diese Art der Leiterzweigführung hat den Vorteil, dass beide Leiterzweige unabhängig voneinander mit einem für die Wicklung auf den Wicklungsträger benötigten Wickelzug beaufschlagt werden können. Es wird also bewusst auf eine exakt parallel liegende Führung der beiden Leiterzweige verzichtet, um einen zusätzlichen Freiheitsgrad zu schaffen und eine getrennte Einstellung des Wickelzuges zu ermöglichen. Außerdem wird der nötige Platz zwischen den Leiterzweigen geschaffen, um eine getrennte Spannung der Leiterzweige zu ermöglichen. Auf diese Weise kann auf beiden Leiterzweigen ein vorgegebener Wickelzug getrennt eingestellt werden, und es wird die Entstehung von Hohlräumen und/oder Lufteinschlüssen in der elektrischen Spulenwicklung vermieden. Eventuell vorliegende Unterschiede in der Länge und/oder der Dehnbarkeit der Leiterzweige können so kompensiert werden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass durch die innerhalb der Führungsebenen beabstandete Leiterzweigführung zusätzlicher Platz geschaffen wird, um jeden der beiden Leiterzweige einzeln weiteren Verfahrensschritten zu unterziehen. Beispielsweise können die einzelnen Leiterzweige getrennt voneinander mit zusätzlichen Materialien, beispielsweise elektrisch isolierenden und/oder mechanisch schützenden Materialien umgeben werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung mit einem in Längsrichtung geschlitzten, zweifach zusammenhängenden Bandleiter, der einen ersten und einen zweiten Leiterzweig aufweist, ausgelegt. Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung zur um eine erste Drehachse drehbaren Lagerung eines Abwicklers, eine Anordnung zur um eine zweite Drehachse drehbaren Lagerung eines Wicklungsträgers und zwei Führungsanordnungen zur Führung der beiden Leiterzweige des Bandleiters in zwei zueinander parallel verlaufenden Führungsebenen. Die Vorrichtung ist so ausgebildet, dass die beiden Leiterzweige zumindest in einem Teilbereich zwischen Abwickler und Wicklungsträger in einer parallel zu den Führungsebenen verlaufenden Richtung voneinander beabstandet geführt werden können.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind analog zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen. So ermöglicht die Anordnung zur drehbaren Lagerung des Abwicklers das gleichzeitige Abwickeln der auf dem Abwickler aufgewickelten Leiterzweige. Analog ermöglicht die Anordnung zur drehbaren Lagerung des Wicklungsträgers das gleichzeitige Aufwickeln der beiden Leiterzweige. Die Führungsanordnungen sind schließlich so ausgebildet, dass das parallele Führen der beiden Leiterzweige in den jeweiligen Führungsebenen ermöglicht wird und dass zwischen ihnen ein Abstand in einer innerhalb der Führungsebenen liegenden Richtung eingehalten werden kann. Die Merkmale der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich generell vorteilhaft mit den im Zusammenhang mit den Ausführungsformen des Verfahrens beschriebenen Merkmalen kombinieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann das Verfahren zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Der Bandleiter zweifach zusammenhängender Topologie kann ein geschlitzter Bandleiter mit einer supraleitenden Schicht sein. Besonders vorteilhaft ist die supraleitende Schicht eine Schicht eines Hochtemperatursupraleiters, insbesondere einer Verbindung des Typs REBa2Cu3Ox, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Die supraleitende Schicht ist bevorzugt eine durchgehend supraleitende Schicht, die über die gesamte zusammenhängende Schlaufe hinweg supraleitend verbunden ist, ohne dass eine Verknüpfung mit einem ohmschen Kontakt existiert.
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Eine erste Drehachse des Abwicklers und eine zweite Drehachse des Wicklungsträgers können vorteilhaft parallel zueinander verlaufen. Zweckmäßig sind die Achsen dabei seitlich voneinander beabstandet. Insbesondere können diese beiden Drehachsen senkrecht zu den beiden Führungsebenen der Leiterzweige liegen. Somit können beide Leiterzweige auf der gesamten Länge zwischen Abwickler und Wicklungsträger so geführt werden, dass sie nicht um ihre lokale Längsachse tordiert werden und nur innerhalb einer Ebene gebogen werden. Eine solche Leiterzweigführung trägt zu einer verminderten mechanischen Belastung des Leitermaterials während des Wicklungsprozesses bei. Insbesondere werden die supraleitenden Eigenschaften eines supraleitenden Bandleiters weniger stark durch mechanische Beanspruchung beeinträchtigt.
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Die Leiterzweige können zwischen Abwickler und Wicklungsträger so geführt werden, dass die lokalen Hauptflächen der Hauptteile der Leiterzweige an jeder Stelle parallel zu der Richtung der beiden Drehachsen verlaufen. Mit den lokalen Hauptflächen sind hier die breiten Oberflächen der Leiterzweige gemeint, die im Verlauf der Führung der Leiterzweige wechselnde Orientierungen aufweisen können. Sie sollen jedoch bevorzugt auf dem Weg vom Abwickler zum Wicklungsträger so geführt werden, dass sie die Richtung der beiden Drehachsen immer enthalten. Oder mit anderen Worten ausgedrückt, soll der Vektor der Ebenennormalen dieser Oberflächen immer senkrecht zu den Drehachsen liegen. Auch dieses Merkmal ermöglicht vorteilhaft eine nicht tordierte Leiterzweigführung innerhalb der jeweiligen Führungsebenen. Ausgenommen von dem beschriebenen Hauptteil der Leiterzweige sind lediglich die Endbereiche, auf denen die Leiterzweige leicht gespreizt sein können, und die eine Länge von bis zu einem Hundertfachen, in manchen Fällen auch nur bis zu einem Zwanzigfachen, der Breite des Bandleiters aufweisen können.
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Die beiden Leiterzweige des Bandleiters können vor dem Abwickeln so auf dem Abwickler angeordnet sein, dass die bezüglich der Drehachse axial versetzt sind. Dieser Versatz der aufgewickelten Leiterzweige entspricht dann vorteilhaft im Wesentlichen einem Versatz zwischen den beiden Führungsebenen der Leiterzweige. Somit kann jeder der Leiterzweige im Wesentlichen ohne seitliche Dehnung und/oder Stauchung vom Abwickler in die jeweilige Führungsebene geführt werden. Besonders vorteilhaft entstehen auf dem Wicklungsträger beim Aufwickeln zwei Teilspulen, die ebenfalls im Wesentlichen um denselben Versatz axial versetzt sind. Dann können beide Leiterzweige auf der gesamten Länge des beschriebenen Wickelvorgangs zwischen Abwickler und Wicklungsträger ohne eine seitliche Dehnung und/oder Stauchung geführt werden. Mit einer seitlichen Dehnung oder Stauchung ist hier eine seitliche Verformung der Leiterzweige durch Biegung in eine Richtung senkrecht zur Führungsebene gemeint.
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Der axiale Versatz ist dabei vorteilhaft so klein gewählt, dass im Bereich der noch verbundenen Endstücke des Bandleiters nur eine geringe seitliche Verformung vorliegt. Beispielsweise sind die Mittelpunkte der beiden Leiterzweige vorteilhaft nur um bis zu 30% mehr als die mittlere Leiterzweigbreite voneinander versetzt, besonders vorteilhaft nur um bis zu 20% mehr. Besonders vorteilhaft ist, wenn der axiale Versatz genau der Schnittbreite eines Werkzeugs entspricht, welches zum Schlitzen des ursprünglichen Leiters verwendet wurde. Somit müssen die Teilleiter überhaupt keiner Verformung ausgesetzt werden, da der axiale Versatz durch das Entfernen von Leitermaterial entsteht.
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Der Wicklungsträger kann vorteilhaft die Funktion des Spulenträgers der herzustellenden elektrischen Spule erfüllen. Mit anderen Worten kann die elektrische Spule in ihrem Betrieb auf diesem Wicklungsträger verbleiben. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Wicklungsträger wenigstens zwei Teilstücke umfasst, auf die die Leiterzweige des Bandleiters in zwei parallel liegenden Wicklungsebenen gewickelt werden. Diese beiden Wicklungsebenen entsprechen dabei vorteilhaft den beiden Führungsebenen der Leiterzweige. Die beiden Teilstücke des Wicklungsträgers können dann vorteilhaft voneinander getrennt und in einer vorgegebenen räumlichen Orientierung zueinander angeordnet werden. Für einen Betrieb der elektrischen Spulenwicklung in einer Magnetspule beispielsweise können die beiden Teilspulen aus den jeweiligen Leiterzweigen und den zugehörigen Teilstücken des Wicklungsträgers vorteilhaft so gegeneinander verdreht werden, dass sich die durch die Teilspulen erzeugten Magnetfelder gegenseitig verstärken.
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Besonders vorteilhaft weist ein solcher Wicklungsträger eine schlitzförmige Ausnehmung auf. Diese Ausnehmung kann sich über beide Teilstücke erstrecken und so ausgebildet sein, dass ein im Endbereich zusammenhängendes erstes Leiterende des Bandleiters durch sie hindurch in einen inneren Hohlraum des Wicklungsträgers eingeführt werden kann. Bei der entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens wird besonders vorteilhaft das gegenüberliegende, ebenfalls im Endbereich zusammenhängende zweite Leiterende des Bandleiters nicht vollständig auf den Wicklungsträger aufgewickelt. Somit werden die Leiterenden an beiden Enden des Bandleiters nicht mit aufgewickelt, was eine freie Drehung der beiden aus den Leiterzweigen gebildeten Teilspulen ermöglicht. Vorteilhaft kann die Länge der überstehenden, also nicht aufgewickelten Leiterenden mindestens das Zehnfache der Breite des Bandleiters sein, um eine Drehung der Teilspulen ohne zu große mechanische Belastung der Leiterzweige und der Leiterenden zu verursachen.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann der Wicklungsträger jedoch auch als Zwischenträger für die beiden Leiterzweige vorgesehen sein. Beispielsweise können die beiden Leiterzweige während dieses Umspulprozesses getrennt voneinander weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden wie etwa der Ummantelung mit einem elektrisch isolierenden und/oder mechanisch schützenden Material. In diesem Fall wird die endgültig zu verwendende elektrische Spulenwicklung erst durch weiteres Umspulen von dem Zwischenträger auf einen weiteren Spulenträger hergestellt.
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Weitere Verfahrensschritte für die beiden Leiterzweige wie z.B. das Ummanteln mit einem elektrisch isolierenden und/oder mechanisch schützenden Material können auch gleichzeitig mit dem Herstellen der Spulenwicklungen erfolgen.
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Der Abstand der beiden Leiterzweige in der innerhalb der Führungsebenen liegenden Richtung kann vorteilhaft wenigstens 5 cm betragen. Besonders vorteilhaft kann dieser Abstand wenigstens 30 cm betragen. Ein solcher Abstand bewirkt, dass für jeden der beiden Leiterzweige genügend Platz zur Verfügung steht, um den Leiterzweig unabhängig mit einem vorbestimmten Wickelzug zu beaufschlagen. Alternativ oder zusätzlich steht auf diese Weise auch genügend Platz zur Verfügung, um die Leiterzweige zusätzlich weiteren Verfahrensschritten wie beispielsweise weiteren Beschichtungen oder anderen Ummantelungsschritten zu unterziehen.
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Vorteilhaft kann zur Führung wenigstens eines Leiterzweiges zwischen Abwickler und Wicklungsträger eine Führungsanordnung verwendet werden, die wenigstens eine Führungsrolle und wenigstens eine Andruckrolle umfasst. Unter einer Führungsrolle soll hierbei eine drehbar gelagerte Rolle verstanden werden, deren Drehachse während des Wickelvorgangs im Wesentlichen stationär gelagert ist. Besonders vorteilhaft können auch mehrere solche Führungsrollen in der Führungsanordnung vorgesehen sein. Die Position dieser einen oder mehreren Führungsrollen bestimmt wesentlich den Versatz der beiden Leiterzweige während des Wickelvorgangs. Unter einer Andruckrolle soll dagegen eine drehbar gelagerte Rolle verstanden werden, deren Drehachse innerhalb der Führungsebene beweglich ist und durch die somit der Leiterzweig innerhalb der Führungsebene mit einer vorgegebenen Spannkraft gespannt werden kann. Vorteilhaft wird über diese Andruckrolle ein vorbestimmter Wickelzug auf dem Leiterzweig aufgebracht.
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Zur getrennten Führung beider Leiterzweige können zwischen Abwickler und Wicklungsträger zwei solche Führungsanordnungen, also eine für jeden Leiterzweig, verwendet werden, die jeweils wenigstens eine Führungsrolle und wenigstens eine Andruckrolle umfassen. Es können auch für einen Leiterzweig oder für beide Leiterzweige noch weitere Führungsrollen und/oder Andruckrollen vorgesehen sein, um die Leiterzweige möglichst genau auf vorgegebenen Bahnen zu führen und getrennt voneinander mit einem Wickelzug zu versehen, der möglichst nah bei einem vorbestimmten Sollwert liegt.
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Vorteilhaft können die verwendeten Führungsanordnungen jeweils wenigstens zwei Umlenkrollen, wenigstens zwei Führungsrollen und wenigstens eine Andruckrolle umfassen. In dieser Ausführungsform der Führungsanordnung kann eine Anordnung aus Führungsrollen und Andruckrollen zwischen den beiden Umlenkrollen angeordnet sein, so dass die Umlenkrollen den groben Verlauf und somit auch den lateralen Versatz der beiden Leiterzweige vorgeben. Die dazwischen liegende Anordnung aus Führungsrollen und Andruckrolle kann dann dazu dienen, durch eine Spannung der Andruckrolle gegen die Führungsrollen einen vorgegebenen Wickelzug einzustellen, ohne allzu weit vom durch die Umlenkrollen vorgegebenen groben Verlauf der Leiterzweige abzuweichen.
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Besonders vorteilhaft liegen die Drehachsen der Umlenkrollen, der Führungsrollen und der Andruckrollen im Wesentlichen parallel zu den Drehachsen des Abwicklers und des Wicklungsträgers.
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Der vorbestimmte Wickelzug auf den Leiterzweigen kann vorteilhaft im Bereich zwischen 1 MPa und 1000 MPa liegen.
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Die beiden Leiterzweige können vorteilhaft so geführt werden, dass sich der beim Wickeln auf den Wicklungsträger anliegende Wickelzug für die beiden Leiterzweige um höchstens 20% unterscheidet. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige und möglichst symmetrische Herstellung der beiden Teilspulen erreicht werden, was wiederum die Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige und maßhaltige übergeordnete Gesamtspule ist.
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Die beiden Leiterzweige können zwischen Abwickler und Wicklungsträger jeweils mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt werden. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Wicklungsverfahren besonders einfach realisierbar, da durch die voneinander beabstandete Führung der beiden Leiterzweige der nötige Platz für einen solchen zusätzlichen Prozessschritt auf Leiterzweigebene geschaffen wird. Die Herstellung einer getrennten elektrisch isolierenden Hülle für jeden Leiterzweig ist besonders wichtig, da nach einem Schlitzen des Bandleiters die verschiedenen leitfähigen Schichten, beispielsweise supraleitende und/oder normalleitende Schichten vollkommen offen liegen und somit Kurzschlüsse verursachen können. Bei einer parallelen und dicht benachbarten Führung der beiden Leiterzweige wäre jedoch kein Platz für eine Umhüllung der einzelnen Zweige vorhanden.
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Vorteilhaft können die einzelnen Leiterzweige jeweils mit isolierenden Bändern umwickelt werden, beispielsweise mit Glasfaserbändern, glasfaserverstärktem Kunststoff, Teflonbändern, Aramidfasern und/oder Kevlarbändern. Ein solches Umwickeln kann maschinell oder auch manuell erfolgen.
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Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen Leiterzweige auch mit einer Beschichtung versehen werden. Beispielsweise können die Leiterzweige zwischen Abwickler und Wicklungsträger mit einem Harz versehen werden. Bei einem solchen Nasswickelverfahren wird Harz entweder einseitig oder beidseitig auf die zu wickelnden Bänder aufgebracht. Das Harz kann dann nach dem Herstellen der Wicklung ausgehärtet werden und trägt so zur mechanischen, elektrischen und auch thermischen Stabilität der Spulenanordnung bei. Besonders geeignete Harze sind beispielsweise Epoxidharze.
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Alternativ kann die Spulenwicklung aber auch in einem Trockenwickelprozess ohne ein solches Harz hergestellt werden. Die fertig gewickelte Spule kann dann in einem anschließenden Vergussschritt mit einer Vergussmasse versehen und dann ausgehärtet werden, beispielsweise in einem Vakuumvergussschritt.
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Der zweifach zusammenhängende Bandleiter kann durch mehr als einen in Längsrichtung verlaufenden Schlitz in mehr als zwei Leiterzweige geteilt sein. Diese Mehrzahl an Leiterzweigen kann in einer Mehrzahl von zueinander parallel verlaufenden Führungsebenen zwischen Abwickler und Wicklungsträger geführt werden. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, um eine größere Anzahl an Teilspulen durch gleichzeitiges Wickeln herzustellen. Besonders vorteilhaft ist dann für jeden Leiterzweig eine eigene Führungsanordnung vorgesehen, durch die jeder Leiterzweig separat mit einem vorbestimmten Wickelzug beaufschlagt wird. Der Wicklungsträger kann dann aus einer Mehrzahl von Teilstücken bestehen, wobei jedes Teilstück einem Leiterzweig zugeordnet ist. Diese Teilstücke können dann vorteilhaft voneinander getrennt und so zueinander orientiert werden, dass die Magnetfelder der einzelnen Teilspulen auf vorbestimmte Weise miteinander in Wechselwirkung treten. Besonders vorteilhaft werden während der Herstellung der Spulenwicklung alle Leiterzweige in einer innerhalb der Führungsebene verlaufenden Richtung voneinander beabstandet geführt, so dass für jeden Leiterzweig genügend Platz für die Führungsanordnung und bei Bedarf auch für weitere separat durchzuführende Prozessschritte vorhanden ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 die schematische Aufsicht eines supraleitenden Bandleiters zweifach zusammenhängender Topologie zeigt,
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2 eine schematische Aufsicht auf die Führungsebenen der beiden Leiterzweige der zu wickelnden Spulenwicklung während des Wicklungsprozesses zeigt und
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3 eine schematische Seitenansicht der beiden Leiterzweige derselben Spulenwicklung während des Wicklungsprozesses zeigt.
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1 zeigt die schematische Draufsicht eines beispielhaften supraleitenden Bandleiters 3 zweifach zusammenhängender Topologie, der durch Aufschlitzen eines einfach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiters 3 hergestellt ist. In diesem Beispiel ist das Aufschlitzen mittels eines Lasers erfolgt. Alternativ kann der Bandleiter 3 beispielsweise mittels Sägen geschlitzt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt die Herstellung einer Magnetspule für die NMR-Spektroskopie oder die Magnetresonanzbildgebung. In diesem Beispiel ist die Länge L des ursprünglich einfach zusammenhängenden Bandleiters 1000 m. Der supraleitende Bandleiter 3 umfasst zwei annähernd gleich dimensionierte Leiterzweige 3a und 3b. Durch den ersten Leiterzweig 3a fließt ein Strom I, und durch den zweiten Leiterzweig 3b fließt ein Strom I gleicher Größe und gegenläufiger Richtung, so dass durch den gesamten zweifach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiter 3 ein geschlossener Ringstrom fließt. Die Breite W des ursprünglichen, einfach zusammenhängenden Bandleiters 3 beträgt in diesem Beispiel 10 mm, und die Breite der beiden Leiterzweige 3a und 3b beträgt im aufgeschlitzten Bereich jeweils 5 mm. Abhängig vom verwendeten Bandleitermaterial kann diese Breite der Leiterzweige 3a, 3b aber auch wesentlich größer oder kleiner ausfallen, insbesondere kann der Bandleiter 3 auch asymmetrisch geteilt sein. Im Bereich der beiden Leiterenden 3c und 3d bleiben die beiden Leiterzweige 3a und 3b verbunden.
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Der Schichtaufbau eines jeden Leiterzweiges 3a, 3b umfasst einen Träger, das hier ein 50 µm dickes Substrat aus einer Nickel-Wolfram-Legierung ist. Es sind alternativ auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Trägerband ist eine 0.5 µm dicke Pufferschicht angeordnet, die die oxidischen Materialien CeO2 und Y2O3 enthält. Darüber folgt die eigentliche supraleitende Schicht, hier eine 1 µm dicke Schicht aus YBa2Cu3Ox, die wiederum mit einer 20 µm dicken Deckschicht aus Kupfer abgedeckt ist. Die supraleitende Schicht bildet eine durchgehende Schicht über die gesamte zweifach zusammenhängende Topologie. Auf der Rückseite des Substrats kann ebenfalls eine weitere normalleitende Deckschicht angeordnet sein.
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2 zeigt eine schematische Aufsicht auf die zu wickelnde Spulenwicklung während des Herstellungsprozesses. Gezeigt sind die beiden Leiterzweige 3a und 3b des supraleitenden Bandleiters 3, die zwischen einem Abwickler 5 und einem Wicklungsträger 7 geführt werden. Die Papierebene der 2 entspricht einer Ebene parallel zu den beiden Führungsebenen 9a und 9b, in denen die beiden Leiterzweige 3a und 3b getrennt geführt werden.
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3 zeigt eine zugehörige schematische Seitenansicht desselben Herstellungsschrittes. Diese Seitenansicht entspricht einem Blick von der in der 2 obenliegenden Seite auf die zur Herstellung verwendete Vorrichtung. In dieser Seitenansicht sind die beiden zueinander parallel verlaufenden Führungsebenen 9a und 9b der beiden Leiterzweige 3a und 3b als Schnittlinien abgebildet. Der Abwickler 5 weist eine erste Drehachse 6 auf, und der Wicklungsträger 7 weist eine zweite Drehachse 8 auf, wobei diese beiden Drehachsen 7 und 8 parallel zueinander verlaufen. Sie liegen senkrecht zu den beiden Führungsebenen 9a und 9b der Leiterzweige. Die beiden Leiterzweige 3a und 3b werden durch Drehen des Abwicklers 5 gleichzeitig von diesem abgewickelt und mit einem in die Führungsebenen 9a, 9b projizierten Abstand 11 voneinander entlang der Laufrichtung 21 zum Wicklungsträger 7 geführt. Hierzu ist für jeden Leiterzweig 3a und 3b eine separate Führungsanordnung vorgesehen, von denen jede zwei Umlenkrollen 19 und eine Spannvorrichtung 17 aufweist. Die Umlenkrollen 19 sind jeweils um eine Achse drehbar, wobei diese Achsen während des Wickelvorganges fest bleiben. Die Umlenkrollen 19 geben im Wesentlichen die Wege der beiden Leiterzweige 3a, 3b und somit auch den projizierten Abstand 11 vor. Zwischen den beiden Umlenkrollen 19 jedes Leiterzweiges 3a, 3b ist eine Spannvorrichtung 17 angeordnet, die jeweils aus zwei ortsfesten Führungsrollen 13 und einer dazwischen angeordneten Andruckrolle 15 besteht. Die Andruckrollen 15 sind jeweils in Richtung der jeweiligen Führungsebene 9a, 9b beweglich und werden jeweils mit einer Spannkraft 16a, 16b beaufschlagt, um für jeden der beiden Leiterzweige 3a, 3b einen vorgegebenen Wickelzug einzustellen. Hierbei können die Spannkräfte 9a und 9b unterschiedlich gewählt sein, um Unterschiede in der Länge, der Dehnbarkeit und/oder der Führung der beiden Leiterzweige 3a, 3b auszugleichen und einen möglichst einheitlichen Wickelzug beim Aufwickeln der beiden Leiterzweige 3a, 3b auf den Wicklungsträger 7 zu gewährleisten. Unterschiede in den durch die Umlenkrollen 19 und die Führungsrollen 13 vorgegebenen Weglängen für die beiden Leiterzweige 3a und 3b können durch die Position der Andruckrollen 15 ausgeglichen werden. So ist im schematisch gezeigten Beispiel beim Leiterzweig 3a die Andruckrolle 15 weiter von den Führungsrollen 13 entfernt als beim Leiterzweig 3b, da im Leiterzweig 3b der nur um die Umlenkrollen 19 und die Führungsrollen 13 führende Transportweg länger ist als beim Leiterzweig 3a.
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Für jeden der beiden Leiterzweige 3a und 3b ergibt sich zwischen Spannvorrichtung 17 und einer der Umlenkrollen 19 ein frei zugänglicher Bereich 23, in dem mit einer hier nicht gezeigten weiteren Vorrichtung eine Umhüllung der Leiterzweige 3a, 3b mit einem isolierenden Material und/oder einer Vergussmasse erfolgen kann.
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Nach Durchlaufen der beiden parallel liegenden Führungsstrecken werden die beiden Leiterzweige 3a und 3b gleichzeitig nebeneinander auf den Wicklungsträger 7 gewickelt. Dieser Wicklungsträger 7 weist an einer Stelle seiner Außenseite eine schlitzförmige Ausnehmung auf, durch die ein ungeschlitztes erstes Leiterende 3c des Bandleiters 3 vor dem Aufwickeln hindurchgesteckt worden ist. Der Bandleiter 3 wird dann nicht vollständig auf den Wicklungsträger 7 gewickelt, sondern es verbleibt ein ähnlich langes ungewickeltes zweites Leiterende 3d, das am äußeren Umfang der herzustellenden Spulenwicklung 1 übersteht. Der gezeigte Wicklungsträger 7 weist zwei Teilstücke 7a und 7b auf, auf denen die beiden Leiterzweige 3a und 3b gleichzeitig zu zwei Teilspulen mit gleicher Windungszahl und weitgehend gleichen räumlichen Abmessungen gewickelt werden. Dabei weist jede der Teilspulen eine Vielzahl von umlaufenden Wicklungslagen auf. Der Wicklungsträger 7 kann nach dem Herstellen der Wicklung in seine zwei Teilstücke 7a und 7b zerlegt werden, so dass die beiden Teilspulen getrennt und zueinander so orientiert werden können, dass die durch die beiden Teilspulen bei einem Stromfluss gebildeten Magnetfelder auf eine gewünschte Weise miteinander wechselwirken können. Beispielsweise können die beiden Teilspulen so gegeneinander verdreht werden, dass ein gleichsinniger Stromfluss der nebeneinander liegenden Teilspulen erreicht wird. Eine solche Verdrehung wird durch die nicht vollständig aufgewickelten überstehenden Leiterenden 3c und 3d ermöglicht.
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Sowohl der Abwickler 6 als auch der Wicklungsträger 7 haben in diesem Beispiel eine hohlzylindrische Form. Allgemein haben Abwickler 6 und Wicklungsträger 7 bevorzugt zylindrische Außenflächen, wobei die Form nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche beschränkt ist. Je nach den Anforderungen an die elektrische Spulenwicklung 1 kann der Wicklungsträger auch beispielsweise eine ovale, eine rennbahnförmige und/oder eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010042598 A1 [0006]
- DE 102011082652 B4 [0007, 0009]
- DE 102013207222 [0008]
