DE102014207373A1

DE102014207373A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung mit einem zweifach zusammenhängenden Bandleiter

Info

Publication number: DE102014207373A1
Application number: DE102014207373.1A
Authority: DE
Inventors: Otto Batz; Dietmar Bayer; Michael Frank
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-10-22

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung mit einem in Längsrichtung geschlitzten zweifach zusammenhängenden Bandleiter mit wenigstens zwei Leiterzweigen angegeben, das die folgenden Schritte umfasst: – Abwickeln eines einfachen, ungeschlitzten Bandleiters von einem Abwickler, – Schlitzen des einfachen Bandleiters in wenigstens zwei Leiterzweige und – Aufwickeln der wenigstens zwei Leiterzweige auf einen Wicklungsträger zur Bildung der Spulenwicklung, wobei das Schlitzen des Bandleiters mit einer zwischen Abwickler und Wicklungsträger angeordneten Trennvorrichtung durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung mit einem in Längsrichtung geschlitzten zweifach zusammenhängenden Bandleiter, der wenigstens zwei Leiterzweige aufweist.
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 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.
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.
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. In der DE 10 2010 042 598 A1 wird jedoch kein genaues Verfahren zur Herstellung der Wicklung aus dem vorab geschlitzten zweifach zusammenhängenden Bandleiter angegeben.
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 von den Zwischenspulen im Wechsel Windungen des ersten und zweiten Halbbandes auf einen gemeinsamen Wickelkörper gewickelt.
Nachteilig bei dem im Stand der Technik beschriebenen Herstellungsverfahren ist, dass der Prozess durch die vorgelagerte Auftrennung des Bandleiters und das Umspulen der einzelnen Leiterzweige auf Zwischenspulen relativ komplex ist. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist, dass die genaue Länge des benötigten geschlitzten Bandleitermaterials bereits vor der Wicklung der eigentlichen Spule bekannt sein muss. Die vorab geschlitzte und auf Vorrats- oder Zwischenspulen vorliegende Bandleiterschleife kann nicht mehr verlängert oder gekürzt werden, wenn sich beim Wickeln herausstellt, dass die vorgegebene Länge zu lang oder zu kurz ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Herstellungsverfahren anzugeben, welches die genannten Nachteile beseitigt. Insbesondere soll ein möglichst einfaches Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung mit einer zweifach zusammenhängenden Bandleiterschleife angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung mit einem in Längsrichtung geschlitzten zweifach zusammenhängenden Bandleiter, der wenigstens zwei Leiterzweige aufweist, umfasst die folgenden Schritte:

– Abwickeln eines einfachen, ungeschlitzten Bandleiters von einem Abwickler,
– Schlitzen des einfachen Bandleiters in wenigstens zwei Leiterzweige und
– Aufwickeln der wenigstens zwei Leiterzweige auf einen Wicklungsträger zur Bildung der elektrischen Spulenwicklung, wobei das Schlitzen des Bandleiters mit einer zwischen Abwickler und Wicklungsträger angeordneten Trennvorrichtung durchgeführt wird.

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 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.
Vor der Durchführung der genannten Verfahrensschritte liegt der ungeschlitzte, also topologisch einfach zusammenhängende Bandleiter auf einem Abwickler aufgewickelt vor. Dabei kann die Länge des ungeschlitzten Bandleiters beispielsweise wesentlich größer sein als die für die Spulenwicklung benötigte Leiterlänge. Die tatsächlich für die Spulenwicklung eingesetzte Länge an Leitermaterial kann auch erst während des Aufwickelns genau festgelegt werden, da der Leiter nicht in einem vorgelagerten Prozessschritt, sondern erst während des Aufwickelns geschlitzt wird. So kann beispielsweise bei Erreichen einer vorgegebenen Wicklungshöhe während des Wickelprozesses das Schlitzen des Bandleiters beendet werden, und der Bandleiter kann daraufhin so abgeschnitten werden, dass ein äußeres ungeschlitztes Endstück mit einer gewünschten Länge verbleibt. Die genaue Länge der zweifach zusammenhängenden Bandleiterschlaufe kann also direkt während des Prozesses auf die Vorgaben für die fertig gewickelte elektrische Spulenwicklung angepasst werden.
Das Auftrennen des Bandleiters in wenigstens zwei Leiterzweige wird so durchgeführt, dass die Leiterzweige in den Endbereichen des Bandleiters verbunden bleiben. Der Schnitt wird also in der Nähe eines ersten Endbereiches des Bandleiters angesetzt, und anschließend wird mit diesem Endbereich das Aufwickeln der Spulenwicklung begonnen. Der erste Abschnitt des Schlitzes kann also vor dem eigentlichen Aufwickeln erzeugt werden. Der wesentliche Anteil des Schlitzes wird dann jedoch erst während des Wicklungsprozesses, kurz vor dem Aufwickeln des jeweiligen Leiterstückes auf den Wicklungsträger erzeugt.
Die für das Schlitzen verwendete Trennvorrichtung soll erfindungsgemäß zwischen dem Abwickler und dem Wicklungsträger angeordnet sein. Mit „zwischen“ ist hier der Bereich auf dem Weg der Leiterzweite vom Abwickler zum Wicklungsträger gemeint. Dieser Weg muss nicht unbedingt geradlinig ausgebildet sein, beispielsweise können der Bandleiter und/oder die Leiterzweige über Umlenkrollen umgelenkt werden, so dass die Trennvorrichtung nicht geometrisch genau zwischen Abwickler und Wicklungsträger angeordnet sein muss. Maßgeblich ist der Verlauf des Leiterbandes.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass der Herstellungsprozess für eine Spuleneinrichtung mit einem zweifach zusammenhängenden Bandleiter vereinfacht wird, da im Vergleich zu bekannten Verfahren die nach dem Schlitzen benötigten Umspulschritte entfallen. Nach dem Durchlaufen der Trennvorrichtung soll der Bandleiter direkt auf den Wicklungsträger aufgewickelt werden, also ohne dass er zwischendurch auf eine Zwischenspule oder anderweitige Vorratsspule gewickelt werden muss. Hierdurch ist auch das Aufbringen eines einheitlichen Wickelzuges auf die Leiterzweige des Bandleiters vereinfacht: Da die beim Wickelprozess zurückgelegte Strecke zwischen Trennvorrichtung und Wickelkörper zweckmäßig relativ kurz ist, sind Abweichungen in der Länge der einzelnen Leiterzweige relativ gering. Somit kann vorteilhaft auch ohne besondere Maßnahmen zur getrennten Spannung der einzelnen Leiterzweige ein relativ einheitlicher Wickelzug erreicht werden.
Wesentlich ist, dass die bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellte elektrische Spulenwicklung bei ihrer Anwendung in der direkt nach dem Auftrennen gewickelten Form verbleibt. Es handelt sich also nicht um die Herstellung einer Wicklung auf einer Vorrats- oder Zwischenspule, sondern um die Herstellung der elektrischen Spulenwicklung in ihrer endgültigen Form, in der sie auch in ihrer elektrischen Anwendung eingesetzt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann das Verfahren zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Das Schlitzen des Bandleiters kann für einen mehrheitlichen Teil der Länge des Bandleiters während des Aufwickelns der Spulenwicklung erfolgen. Abweichend von diesem gleichzeitigen Schlitzen und Aufwickeln kann beispielsweise ein kleiner Teil des Bandleiters im Bereich des Endstücks vor dem Beginn des Aufwickelns geschlitzt werden. Der größte Teil der Leiterlänge wird dann jedoch durch die Trennvorrichtung geschlitzt, während ein vorgelagerter Abschnitt des Bandleiters bereits auf den Wicklungsträger aufgewickelt wird. Die zeitliche Trennung der Prozessschritte „Schlitzen des Bandleiters“ und „Aufwickeln der Spulenwicklung“ entfällt also in dem beschriebenen Verfahren, und die Prozessführung wird gegenüber bekannten Herstellungsverfahren vereinfacht.
Besonders vorteilhaft ist die Trennvorrichtung so angeordnet, dass die vom Bandleiter zurückgelegte Strecke zwischen Abwickler und Trennvorrichtung kürzer ist als die zurückgelegte Strecke zwischen Trennvorrichtung und Wicklungsträger. Hierdurch wird erreicht, dass die Leiterzweige des Bandleiters nach dem Auftrennen möglichst wenig gedehnt werden und somit geringe Abweichungen in ihren Längen aufweisen. Vorteilhaft kann dadurch die Notwendigkeit vermieden werden, die einzelnen Leiterzweige getrennt spannen zu müssen. Eine getrennte Führung der einzelnen Leiterzweige kann jedoch trotzdem sinnvoll sein, beispielsweise um Platz für das Anbringen einer Leiterisolation an den einzelnen Leiterzweigen zu schaffen.
Beim Aufwickeln der Spulenwicklung können wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Teilspulen gebildet werden, die eine gemeinsame Wicklungsachse aufweisen. Diese Teilspulen werden also gleichzeitig gewickelt, indem sie durch eine Drehung des gemeinsamen Wicklungsträgers gleichzeitig nebeneinander auf diesen aufgewickelt werden. Durch den parallelen Verlauf der Leiterzweige während des Aufwickelns der Teilspulen kann eine Torsion des Bandleiters vorteilhaft weitgehend vermieden werden.
Der Bandleiter und seine Leiterzweige können so geführt werden, dass sie beim Abwickeln von dem Abwickler und beim Aufwickeln auf den Wicklungsträger im Wesentlichen nicht tordiert werden. Insbesondere können der Bandleiter und seine nach dem Aufschlitzen gebildeten Leiterzweige auf der ganzen Strecke zwischen Abwickler und Wicklungsträger so geführt werden, dass sie an keiner Stelle tordiert werden. Mit anderen Worten, der Bandleiter und seine Leiterzweige können innerhalb ihrer jeweiligen Wicklungsebene gebogen werden, aber die lokalen Hauptflächen des Bandleiters und seiner Leiterzweige liegen an jeder Stelle parallel zur Drehachse des Wicklungsträgers. Vor allem supraleitende Bandleiter sind sehr empfindlich gegenüber einer Torsion, da eine solche Torsion im Extremfall eine Delamination oder zumindest eine Schädigung des Schichtsystems zur Folge haben kann. Bei durchgehend paralleler Führung der beiden Leiterzweige in zueinander parallel verlaufenden Wicklungsebenen kann eine Torsion weitestgehend vermieden werden.
Ein erstes Ende des Bandleiters kann durch eine Ausnehmung des Wicklungsträgers in einen Innenbereich des Wicklungsträgers eingeführt werden. Hierdurch kann vorteilhaft auf der Innenseite der Wicklung ein überstehendes, nicht aufgewickeltes Ende des Bandleiters angeordnet werden, was nach der Wicklung der Spule eine freie Drehung der einzelnen aus den Leiterzweigen gebildeten Teilspulen ermöglicht. Vorteilhaft wird dazu auch im äußeren Bereich der Spulenwicklung ein nicht aufgewickeltes, überstehendes Leiterende übrig gelassen. Vorteilhaft kann die Länge der überstehenden, also nicht aufgewickelten Leiterenden mindestens das Zehnfache der Breite des Bandleiters betragen, um eine Drehung der Teilspulen ohne zu große mechanische Belastung der Leiterzweige und der Leiterenden zu ermöglichen. Die Länge der überstehenden, ungewickelten Leiterenden ist dabei vorteilhaft insbesondere größer als die Länge der ungeschlitzten äußersten Endstücke des Bandleiters.
Die wenigstens zwei Leiterzweige können zwischen Trennvorrichtung und Wicklungsträger mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt werden. 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. Beispielsweise können die einzelnen Leiterzweige mit einem isolierenden Band umwickelt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Leiterzweige jedoch auch direkt mit isolierenden Materialien beschichtet werden. Durch das Aufbringen einer Leiterisolation zwischen Trennvorrichtung und Wicklungsträger kann das Herstellungsverfahren besonders effektiv als integrierter und kontinuierlicher Prozess realisiert werden.
Der Bandleiter kann eine supraleitende Schicht umfassen. 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 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.
Die wenigstens zwei Leiterzweige des Bandleiters können zwischen Trennvorrichtung und Wicklungsträger in zueinander parallel verlaufenden Führungsebenen geführt werden. Durch die Führung innerhalb dieser beiden Führungsebenen kann vorteilhaft erreicht werden, dass die 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 Wicklungsträger.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können die Leiterzweige in einer innerhalb der Führungsebenen verlaufenden Richtung voneinander beabstandet geführt werden. Mit anderen Worten werden sie so geführt, dass sich bei einer Projektion der Leiterzweigwege in eine beliebige der zueinander parallelen Führungsebenen ein Abstand innerhalb dieser Führungsebene ergibt. 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. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform 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.
Der Bandleiter kann zwischen Trennvorrichtung und Wicklungsträger mit einem Imprägniermittel imprägniert werden, das nach dem Aufwickeln der Spulenwicklung ausgehärtet wird. Mit anderen Worten, die Spulenwicklung kann in einem sogenannten Nasswickelprozess hergestellt werden. Durch das Aushärten des Imprägniermittels erhält die Spulenwicklung dann ihre mechanische Festigkeit. Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die inneren und/oder äußeren Endbereiche nicht mit imprägniert oder zumindest nicht gehärtet werden, so dass die Endbereiche frei beweglich bleiben und die Teilspulen dadurch auch gegeneinander bewegt werden können.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Imprägnieren kann die Spulenwicklung mit einem Vergussmittel vergossen werden, wobei das Vergussmittel ebenfalls ausgehärtet werden kann. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn die Endbereiche des Bandleiters nicht mit vergossen werden, sondern möglichst beweglich bleiben.
Der Wicklungsträger kann wenigstens zwei Teilstücke umfassen, auf denen die Leiterzweige des Bandleiters in parallel zueinander verlaufenden Wicklungsebenen gewickelt werden. Besonders vorteilhaft sind die Teilstücke des Wicklungsträgers voneinander trennbar. Hierdurch entstehen auf den jeweiligen Teilstücken des Wicklungsträgers angeordnete Teilspulen, die nach einem Trennen der Teilstücke relativ frei gegeneinander bewegt werden können, wenn die ungewickelten Endstücke des in den Endbereichen zusammenhängenden Bandleiters lang genug sind. Beispielsweise können die Teilstücke des Wicklungsträgers durch Steckverbindungen zusammengefügt und wieder voneinander getrennt werden.
Alternativ kann der Wicklungsträger auch aus einem zentralen Stück bestehen, das nach dem Wickeln der Spule beispielsweise durch Zerschneiden in mehrere Teilstücke getrennt wird. In jedem Fall ist es vorteilhaft, wenn die entstehenden Teilspulen nach dem Herstellen der Wicklung jeweils auf einem Teilstück des Wicklungsträgers verbleiben können und mit diesem bewegt werden können. Zweckmäßig können die Teilstücke des Wicklungsträgers allgemein auch als Spulenträger während des Betriebs der elektrischen Spulenwicklung dienen.
Es ist aber auch möglich, dass die Teilspulen nach dem Aufwickeln von dem Wicklungsträger separiert werden und entweder als freitragende Spulen verbleiben oder auf einen anderen Spulenträger transferiert werden. Besonders vorteilhaft können die Teilspulen nach einem Verguss- oder Verklebeschritt von ihrem ursprünglichen Wicklungsträger gelöst werden. Wesentlich ist, dass die Spulenwicklung an sich für die Anwendung als elektrische Spule in ihrer direkt nach dem Schlitzen des Bandleiters aufgewickelten Form verbleibt.
Die Spulenwicklung kann eine zylindrische Spulenwicklung mit einer Grundfläche in Form eines Kreises, einer Ellipse, eines Ovals, einer Rennbahngeometrie oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken sein. Ein solcher symmetrischer Aufbau bewirkt, dass zwei oder mehr voneinander getrennte Teilspulen nach einem Wenden der Teilspulen wieder auf einer gemeinsamen Grundfläche benachbart angeordnet werden können.
Die wenigstens zwei Teilspulen können nach dem Herstellen der Wicklung räumlich so angeordnet werden, dass sich von ihnen bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen Bandleiter erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken. Dies kann vorteilhaft durch eine Verdrehung gegeneinander erreicht werden. Beispielsweise kann eine Teilspule durch eine halbe Drehung so gegen die andere gewendet werden, dass sie wieder benachbart zu dieser um eine gemeinsame Symmetrieachse angeordnet werden kann. Nach einem derartigen Wenden einer Teilspule ist das durch die beiden Teilspulen erzeugte übergeordnete Magnetfeld besonders groß.
Das Schlitzen des Bandleiters kann durch Sägen, Wasserstrahlschneiden und/oder Laserschneiden erfolgen. Beispielsweise kann das Sägen mittels einer diamantbestückten Miniaturkreissäge oder einer Diamantdrahtsäge erfolgen. Beim Laserschneiden ist die mechanische Belastung des zu schneidenden Bandleiters vorteilhaft besonders gering.
Der Bandleiter kann durch mehr als einen Schlitz in mehr als zwei zusammenhängende Leiterzweige aufgetrennt werden. Insbesondere können dazu mehrere parallel verlaufende Teilschnitte durchgeführt werden, die alle parallel zu der Längsrichtung des Bandleiters liegen. In den Endbereichen kann der Bandleiter dann teilweise verbunden bleiben, so dass auch hier durch die Teilschnitte eine zweifach zusammenhängende übergeordnete Leiterschleife entsteht. Hierzu kann es hilfreich oder erforderlich sein, im Bereich der Endstücke noch zusätzliche Querteilungen und/oder Fortführungen eines Teils der Schnitte vorzunehmen. Diese Querteilungen und/oder Fortführungen können vorteilhaft in einem oder mehreren zusätzlichen Prozessschritten vor und/oder nach der eigentlichen Auftrennung des Hauptteils des Bandleiters erfolgen. Die Auftrennung in mehr als zwei Teilspulen kann vorteilhaft sein, um ein größeres Spulensystem zur Erzeugung starker und/oder komplex gestalteter Magnetfelder zu bilden.
Insbesondere können die Teilspulen in einem komplexeren Spulensystem auch asymmetrisch ausgestaltet sein, indem die Spulenwicklung in unterschiedlich dicke Teilspulen unterteilt wird. Die Teilspulen haben dann unterschiedliche Leiterbreiten und somit unterschiedliche Stromtragfähigkeiten. Dies kann gezielt genutzt werden, beispielsweise um die Spulen mit den breiteren Leitern an Stellen im System zu platzieren, an denen die lokalen Magnetfelder auf der Wicklung höher sind. Eine solche asymmetrische Teilung kann auch für ein System mit nur zwei Teilspulen vorteilhaft sein, um gezielt ein asymmetrisches Magnetfeld zu erzeugen und/oder asymmetrische Umgebungseinflüsse gezielt auszugleichen.
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 zeigt,
3 das Herstellungsverfahren nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Aufsicht zeigt,
4 dasselbe Herstellungsverfahren in schematischer Seitenansicht zeigt und
5 eine schematische Darstellung der Topologie des Bandleiters in einer Spuleneinrichtung mit vier Teilspulen zeigt.
1 zeigt die schematische Draufsicht eines supraleitenden Bandleiters 1 zweifach zusammenhängender Topologie. Die gezeigte Topologie des Bandleiters 1 wird durch Schlitzen eines einfachen Bandleiters 1 während des Wickelns der Spulenwicklung erzeugt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt eine Magnetspule für die NMR-Spektroskopie. In diesem Beispiel ist die Länge 7 des verwendeten 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 1 umfasst nach seiner Auftrennung durch einen Schlitz 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 aufgetrennten 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 1 mit einem Hochtemperatur-Supraleiter zweiter Generation, in dem der Schichtaufbau schematisch dargestellt ist. In diesem Beispiel umfasst der supraleitende Bandleiter 1 eine isolierende Schicht 10 auf seiner Unterseite. 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. Die isolierende Schicht 10 kann auch entfallen, oder es kann alternativ ein Isolierungsband um die einzelnen Leiterzweige 2 und 4 des Bandleiters 1 herumgewickelt sein.
Der Schichtaufbau des Bandleiters 1 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 vorteilhaft 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 oxydischen 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. Alternativ kann die Deckschicht 14 auch nur auf einer Seite des Bandleiters, dann typischerweise nur auf der von dem Substrat abgewandten Seite der supraleitenden Schicht 20 angeordnet sein. Die supraleitende Schicht 20 bildet in der herzustellenden Spuleneinrichtung eine durchgehende Schicht über die gesamte zweifach zusammenhängende Topologie.
3 zeigt das Herstellungsverfahren nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Aufsicht. Die Spulenwicklung 22 hat in diesem Beispiel die Form einer Rechteckspule mit abgerundeten Ecken. Sie wird auf einem zylindrischen Wicklungsträger 34 mit entsprechender rechteckförmiger Grundfläche aufgewickelt. Hierzu wird der Bandleiter 1 von einem Abwickler 32 abgewickelt, der dazu um seine Drehachse 33 gedreht wird. Auf seinem Weg vom Abwickler 32 zum Wicklungsträger 34 wird der Bandleiter 1 durch eine Trennvorrichtung 30 in zwei Leiterzweige 2 und 4 geschlitzt. Hierbei ist der zwischen Trennvorrichtung 30 und Wicklungsträger 34 zurückgelegte Weg des Bandleiters 1 kürzer als der zwischen Abwickler 32 und Trennvorrichtung zurückgelegte Weg. Insbesondere findet das Schlitzen des Bandleiters 1 so dicht vor dem Aufwickeln auf den Wicklungsträger statt, dass keine signifikant unterschiedlichen Dehnungen der einzelnen Leiterzweige 2 und 4 auftreten. Beim Herstellungsverfahren können der Bandleiter 1 bzw. seine beiden Leiterzweige 2 und 4 noch zusätzlich durch hier nicht gezeigte Führungsrollen, Umlenkrollen und/oder Spannvorrichtungen geführt bzw. gespannt werden. Dabei muss der Weg des Bandleiters 1 zwischen Abwickler 32 und Wicklungsträger 34 auch nicht geradlinig verlaufen. Die Spannvorrichtungen können dazu verwendet werden, um einen vordefinierten Wickelzug auf den Bandleiter 1 und seine Leiterzweige 2 und 4 aufzubringen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Torsion des Bandleiters 1 und seiner einzelnen Leiterzweige während des gesamten Wickelprozesses vermieden. Der anfangs noch zusammenhängende Bandleiter 1 und die später separierten Leiterzweige 2 und 4 werden alle auf der ganzen Strecke in parallel zueinander verlaufenden Wicklungsebenen geführt, die parallel zu der Papierebene der 3 verlaufen. Die Leiterteile werden innerhalb dieser Wicklungsebenen gebogen, aber nicht aus ihren Wicklungsebenen heraus tordiert. Erst nach der Trennung der Teilspulen 38a und 38b entsteht eine Torsion der Leiterenden 5 und 6 des Bandleiters, wenn die Teilspulen 38a und 38b gegeneinander verdreht werden. Diese Änderung der Orientierung kann jedoch sehr vorsichtig durchgeführt werden. Insbesondere wirken dabei keine hohen mechanischen Kräfte wie sie beim Aufwickeln der Spulenwicklung unter einem vorgegebenen Wickelzug wirken können. Es ist also besonders wichtig, eine Torsion des Bandleiters 1 bei gleichzeitiger Einwirkung eines Wickelzuges zu vermeiden.
Die beiden durch das Schlitzen in der Trennvorrichtung 30 erzeugten Leiterzweige 2 und 4 des Bandleiters 1 werden in zwei parallel zueinander liegenden Wicklungsebenen geführt und durch Drehung des Wicklungsträgers 34 um seine Wicklungsachse 26 gleichzeitig zu zwei parallel zueinander liegenden Teilspulen 38a und 38b gewickelt. Der Wicklungsträger 34 besteht in diesem Beispiel aus zwei Teilstücken 34a und 34b, von denen jedes eine der entstehenden Teilspulen 38a und 38b trägt. Nach dem Aufwickeln der Spulenwicklung 22 können die Teilstücke 34a und 34b des Wicklungsträgers 34 voneinander getrennt werden, so dass die beiden Teilspulen 38a und 38b gegeneinander bewegt werden können. Beispielsweise können sie um 180 Grad gegeneinander gewendet werden, so dass sich die durch Stromfluss in den Teilspulen 38a und 38b erzeugten Magnetfelder sich gegenseitig verstärken können.
Die Leiterzweige 2 und 4 des Bandleiters 1 werden in diesem Beispiel nach ihrer Auftrennung durch eine Imprägniervorrichtung 42 mit einem Imprägniermittel 40 versehen, das nach dem Wickeln der Spulenwicklung 22 ausgehärtet wird.
Vor dem Aufwickeln des Bandleiters 1 zu der Spulenwicklung 22 wird im gezeigten Beispiel ein inneres Endstück 28a des Bandleiters durch einen hierfür vorgesehenen Schlitz in den Innenraum des Wicklungsträgers 34 eingeführt. Hierdurch verbleibt in diesem Innenraum ein ungewickelter innenliegender Überstand 28a des Bandleiters. Auch im äußeren Bereich der Spulenwicklung 22 verbleibt vorteilhaft ein noch ungewickelter äußerer Überstand des Bandleiters. Diese ungewickelten Überstände sind auf einem Teil ihrer Länge mit einer Fortsetzung des Schlitzes 24 versehen. Nur ihre äußersten Endbereiche bleiben verbunden, so dass die beiden Teilspulen 38a und 38b in einer gemeinsamen Leiterschleife verbunden bleiben. Die ungewickelten inneren und äußeren Überstände werden bei diesem Verfahren möglichst frei von Imprägniermittel 40, damit die Teilspulen 38a und 38b auch nach dem Aushärten des Imprägniermittels 40 noch möglichst frei gegenander bewegt werden können.
Die in den 3 und 4 gezeigte Trennvorrichtung 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine diamantbestückte Miniaturkreissäge, durch die der der Bandleiter 1 mit einer geringen mechanischen Belastung in zwei Leiterzweige 2 und 4 aufgetrennt wird. Anstelle einer solchen Säge kann aber auch beispielsweise eine Drahtsäge oder auch eine Vorrichtung zum Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden verwendet werden.
Die entstehenden Leiterzweige können einzeln mit einem Isolierband umbändelt werden. Eine solche Vorrichtung ist in den 3 und 4 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Besonders vorteilhaft findet eine solche Umbändelung jedoch auf dem Abschnitt zwischen der Trennvorrichtung 30 und der Imprägniervorrichtung 42 statt. Um den nötigen Platz für eine getrennte Umbändelung zu schaffen, können die beiden Leiterzweige 2 und 4 nach Durchlaufen der Trennvorrichtung 30 auch durch separate Führungsrollen seitlich beabstandet voneinander geführt werden.
5 zeigt schematisch die Topologie eines Bandleiters 1, der durch drei Schnitte 48a, 48b und 48c in vier miteinander verbundene Leiterzweige geteilt ist. Auch eine solche Aufteilung in mehr als zwei Leiterzweige kann mit einem Verfahren gemäß der Erfindung durch mehrfaches paralleles Schlitzen des Bandleiters 1 während des Wickelprozesses durchgeführt werden. Der Bandleiter 1 ist hier zusätzlich an seinen Endbereichen 5 und 6 mit einer weiteren Querteilung 50 senkrecht zur Hauptrichtung der Schnitte und mit drei weiteren Fortführungen 52a, 52b und 52c der Schnitte versehen. Die zweite Fortführung 52b, also die Fortführung des mittleren Schnittes 48b erstreckt sich dabei bis an den äußersten Rand des Bandleiters. Die anderen beiden Fortführungen enden kurz vor einem alleräußersten zusammenhängenden Endbereich 54. Hierdurch ergibt sich wiederum eine übergeordnete Topologie des Bandleiters 1 in Form einer zweifach zusammenhängenden Schleife, in diesem Fall mit vier im zentralen Bereich parallel verlaufenden Leiterzweigen. Auch bei diesem Beispiel können die entstehenden vier Teilspulen so zueinander bewegt und orientiert werden, dass sich die durch sie bei einem Stromfluss erzeugten Magnetfelder auf eine gewünschte Weise verstärken.
Ähnlich zu der in 5 gezeigten Topologie mit vier Leiterzweigen sind auch noch komplexere Teilungen in andere Anzahlen von Leiterzweigen und somit anderen Anzahlen von Teilspulen möglich. Es können auch asymmetrische oder zumindest ungleiche Teilungen der Bandleiters vorgenommen werden, bei denen verschieden breite Leiterzweige entstehen. Wesentlich ist, dass die Teilung des Bandleiters in zwei oder mehr Leiterzweige zumindest zum größten Teil während des Wickelns der Spulenwicklung erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010042598 A1 [0006, 0006]
DE 102011082652 B4 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenwicklung (22) mit einem in Längsrichtung geschlitzten zweifach zusammenhängenden Bandleiter (1), der wenigstens zwei Leiterzweige (2, 4) aufweist, umfassend die folgenden Schritte: – Abwickeln eines einfachen, ungeschlitzten Bandleiters (1) von einem Abwickler (32), – Schlitzen des einfachen Bandleiters (1) in wenigstens zwei Leiterzweige (2, 4) und – Aufwickeln der wenigstens zwei Leiterzweige (2, 4) auf einen Wicklungsträger (34) zur Bildung der elektrischen Spulenwicklung (22), wobei das Schlitzen des Bandleiters (1) mit einer zwischen Abwickler (32) und Wicklungsträger (34) angeordneten Trennvorrichtung (30) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schlitzen des Bandleiters (1) für einen mehrheitlichen Teil der Länge des Bandleiters (1) während des Aufwickelns der Spulenwicklung (22) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem durch das Aufwickeln der Spulenwicklung (22) wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Teilspulen (38a, 38b) gebildet werden, die eine gemeinsame Wicklungsachse (26) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Drehachse (33) des Abwicklers (32) und eine Wicklungsachse (26) des Wicklungsträgers (34) parallel zueinander verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bandleiter (1) und seine Leiterzweige (2, 4) beim Abwickeln von dem Abwickler (32) und beim Aufwickeln auf den Wicklungsträger (34) im Wesentlichen nicht tordiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein erstes Leiterende (28) des Bandleiters (1) durch eine Ausnehmung des Wicklungsträgers (34) in einen Innenbereich des Wicklungsträgers (34) eingeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens zwei Leiterzweige (2, 4) zwischen Trennvorrichtung (30) und Wicklungsträger (34) mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bandleiter (1) eine supraleitende Schicht (20), insbesondere eine Schicht mit einem hochtemperatursupraleitenden Material umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens zwei Leiterzweige (2, 4) des Bandleiters (1) zwischen Trennvorrichtung (30) und Wicklungsträger (34) in zueinander parallel verlaufenden Führungsebenen geführt werden und bei dem die Leiterzweige (2, 4) in einer innerhalb der Führungsebenen verlaufenden Richtung voneinander beabstandet geführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bandleiter zwischen Trennvorrichtung und Wicklungsträger mit einem Imprägniermittel imprägniert wird, das nach dem Aufwickeln der Spulenwicklung ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wicklungsträger (34) wenigstens zwei Teilstücke (34a, 34b) umfasst, auf denen die Leiterzweige (2, 4) des Bandleiters in parallel zueinander verlaufenden Wicklungsebenen gewickelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spulenwicklung (22) eine zylindrische Spulenwicklung (22) mit einer Grundfläche in Form eines Kreises, einer Ellipse, eines Ovals, einer Rennbahngeometrie oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spulenwicklung (22) wenigstens zwei Teilspulen (38a, 38b) umfasst, die nach dem Aufwickeln räumlich so zueinander angeordnet werden, dass sich von ihnen bei einem Stromfluss durch den gemeinsamen zweifach zusammenhängenden Bandleiter erzeugte Magnetfelder gegenseitig verstärken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schlitzen des Bandleiters (1) durch Sägen, Wasserstrahlschneiden und/oder Laserschneiden erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bandleiter (1) durch mehr als einen Schlitz (48a, 48b, 48c) in mehr als zwei zusammenhängende Leiterzweige aufgetrennt wird.