DE1464782B2

DE1464782B2 - Verfahren zum herstellen einer sattelfoermigen supraleiten den spule

Info

Publication number: DE1464782B2
Application number: DE19641464782
Authority: DE
Inventors: Daniel Winchester Mass Hntzay (V St A)
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1963-07-25
Filing date: 1964-07-23
Publication date: 1971-06-03
Also published as: GB1063459A; US3283276A; DE1464782A1; CH422990A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- als der Umfang der sattelförmigen Spule, eine ein-

lung einer sattelförmigen Spule mit mehreren Win- lägige Wicklung aus nebeneinander angeordneten

dungslagen aus supraleitendem Draht und einer Windungen des supraleitenden Drahtes aufgebracht

zwischen den einzelnen Wihdungslagen artgeordneten wird, daß auf die einlagige Wicklung das normal-

indukliven Abschirmung aus einem Metall, das bei 5 leitende Metall in Form eines Streifens, dessen Länge

tiefen Temperaturen normalleitend bleibt. und Breite gleich dem Umfang und der Breite des

Die in großen supraleitenden Magneten gespei- Förderbandes sind, aufgeklebt wird, und daß die von

cherte Energiemenge wird in Einheiten von 10 Mega- dem Förderband abgenommene Wicklung auf sich

joules gemessen. Wenn ein eine solch große Energie selbst zu der sattelförmigen Spule aufgewickelt wird,

speichernder Magnet unkontrolliert in den Normal- io wobei sich ein Ubergangsteil bildet, welches die erste

zustand zurückkehrt, besteht die Gefahr, daß der und die letzte Wicklungslage verbindet und die

Magnet und seine Umgebung beschädigt oder zerstört übrigen Lägen überquert.

wird. Für die Herstellung von betriebssicheren supra- Zur Vermeidung von Verdrillungen in dem Überleitenden Magneten mit großer Feldstärke wurden gangsteil wird ein verdrilltes Förderband verwendet, bisher folgende Maßnahriien einzeln oder zusammen 15 welches durch Aneinanderfügen der Enden eines angewendet: mehrfach um seine Längsachsen um 360° verdrillten

, ,_. .... . , , _. , Bandes hergestellt wird, wobei die Anzahl der Ver-

a) Der zum Wickeln des Magneten benutzte supra- _{drillungen gleich der Anzahl der Windungs}i_agen der leitende Draht wurde mit einem Überzug aus sattelförmigen Spule ist.

einem einen geringen Widerstand aufweisenden _{2o ßei} Verwendung eines supraleitenden Drahtes, der

Matenal, ζ. B. Kupfer, sowie aus einem Ma- _{aus Drahtlängen bestehtj die kldner sind als die e}.

tenal mit großem Widerstand versehen. _{samte Wick}i_ungsi_{änge der} sattelförmigen Spule,

b) Abschnitte oder Lagen des Magneten werden werden vorzugsweise die Verbindungsstellen zwischen mit einem einen geringen Widerstand aufwei- den einzelnen Drahtlängen im Übergangsteil angesenden Nebenschlußwiderstand versehen, so daß 25 ordnet.

der Strom in jedem Abschnitt unabhängig auf Auf die einlagige Wicklung kann vor dem Auf-

den Wert Null absinken kann. kleben des Metallstreifens ein isolierendes Füllma-

c) Um Segmente oder Lagen der Spule, d. h. Wick- ^ter|*l aufgebracht werden, wenn dies gewünscht wird, lungenf werden induktive Abschirmungen vorge- ^ ^D'^e Erfindung wird im folgenden an Hand der sehen, die den gesamten Magnetfluß konstant zu 3» Zeichnungen an einem Ausfuhrungsbeispiel naher halten suchen, so daß der Strom in der Spule nur erläutert In den Zeichnungen zeigt

langsam abnimmt und in den supraleitenden _xr ^{F l}\^l ^öinfe statische Seitenansicht, die eine

Wicklungen nur ein kleiner Teil der gespei- Vorrichtung zum Herstellen einer einlagigen Wick-

cherten Energie in Wärme umgesetzt wird. lung zeigt,

35 F 1 g. 2 eine Draufsicht auf einen Teil der Wickel-

Dabei besteht die bei der Herstellung von supra- vorrichtung aus Richtung der Linie 2-2 in F i g. 1,
leitenden Magneten am schwierigsten zu erfüllende F i g. 3 eine sch au bildliche Darstellung einer perForderung darin, zwischen die Lagen der Spule einen manetit verdrillten einlagigen Wicklung,
einen kleinen Widerstand aufweisenden, nichtmagne- F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in tischen Streifen, z. B. aus Kupfer, als induktive Ab- 40 F i g. 3 und

schirmung einzulegen. Während der Draht selbst in F i g. 5 eine schaubildliche Darstellung einer sattelallen Richtungen gebogen werden kann, führt die An- förmigen Wicklung.

wendung herkömmlicher Wickelverfahren ζ. B. nach Die Wickelvorrichtung weist einen an sich be-

Art der britischen Patentschrift 604 735 zu einer un- kannten Wickeltisch 11 mit einer Drahtzuführungs-

geordneteri Anordnung der nebeheirianderliegehdert 45 einrichtung 12 und mit einer Qüerführung 13 für den

Drähte mit der Folge einer mangelhaften Ausnutzung Draht auf. Ein Bandspeicherteil ist mit 14 bezeichnet,

des Wickelraumes, d. h. einem geringen Füllfaktor. Die Drahtführungseinrichtung besteht aus Tragarmen

Außerdem ist es dabei nicht möglich, einen induk- 15 für eine Vorratsrolle 16, einer Bremse 17 her-

tiven Schutz vorzusehen; kömmlicher Ausführung zum Regulieren der Span-

Eine induktive Abschirmung und ein hoher FüH- 50 nung des Drahtes 18, der Querführung 13 für den

faktor kann am leichtesten erzielt werden, wenn die Draht und aus einem drehbaren Wickelkopf 19, der

supraleitende Spule in Analogie zu bekannten nor- den Draht aus der Querführung 13 aufnimmt. Alle

malleitenden Spulen (deutsches Gebrauchsmuster angeführten Bauelemente sind an sich bekannt. Die

1783 821) aus einem streifenförmigen Supraleiter freie Drehung der Vorratsrolle 16 kann durch eine

hergestellt würde. Supraleiter in Sireiferiförm stehen '55 bekannte Reibungsbrerhse gehemmt werden, und die

jedoch derzeit nicht zur Verfügung. gewünschte Drähtspannürig kann z. B. mittels einer

Es ist die der Erfindung zügrühde' liegende Auf- elektrisch betätigten Magnetbremse erzielt werden,

gäbe, ein Verfahren zur Herstellung von supraleiter die auf den Draht über eine federbeaufschlagte Rolle

den sattelförmigen Spulen der eingangs erwähnten eine Bremskraft ausübt. Der Draht 18 wird über den

Art zu schaffen, durch welches derartige Spulen mit 60 Wickelkopf 19 für jede vollständige Umdrehung der

hohem Wirkungsgrad und gutem Füllfaktor einfach Wicklung auf dem Speicherteil 14 um einen Draht-

und wirtschaftlich herstellbar sind und bei der die durchmesser vorgerückt. Eine solche Querführungs-

Drahtwindungen jeder Lage fortlaufend nebeneinan- vorrichtung kann aus einer an sich bekannten Leit-

der liegen, d. h., ein Verfahren, durch welches ein spindel 21 bestehen, die über ein nicht dargestelltes

lagengenaues Wickeln möglich ist. 65 Getriebe durch die Drehung des Wickelkopfes 19

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird angetrieben wird. Die Leitspindel 21 trägt eine dreh-

dies dadurch erreicht, daß auf ein endloses Förder- bare Führungsrolle 22.

band, dessen Umfang um ein Mehrfaches größer ist Der Speicherteil 14 für die einlagige Wicklung setzt

sich in an sich bekannter Weise aus einer Anzahl von Rollen 23 zusammen, die in einem nicht dargestellten Gestell gelagert sind. Der Speicherteil 14 soll in der Hauptsache die einlagige Wicklung während des Wickeins zick-zack-förmig aufnehmen. Die Rollen können in an sich bekannter Weise über einen nicht dargestellten Kettenantrieb von einem Geschwindigkeitswechselgetriebe angetrieben werden. Der Antrieb der Rollen erfolgt vorzugsweise durch Reibungskupplungen, die verhindern, daß auf die Wicklung bei einem mechanischen Stillsetzen übermäßig starke Kräfte ausgeübt werden. Während des Wickeins wird die Spannung in der Wicklung durch mechanisches Einstellen einer oder mehrerer Rollen mit Hilfe einer Stellschraube od. dgl. reguliert. Die Einrichtung kann ferner mit einer magnetischen Kupplung 24 versehen werden, die eine örtlich bestimmte Regulierung der Spannung in der Wicklung an einer in der Nähe des Wickelkopfes 19 gelegenen Stelle ermöglicht. Die Wicklung wird auf einem endlosen Förderband 25 hergestellt, das über die Rollen 23 und den Wickelkopf 19 geführt ist.

Aus der F i g. 1 ist zu ersehen, daß das Förderband 25 zwischen einigen, jedoch nicht allen der Rollen 23 um 180° verdreht ist.

Dies ist bei zick-zack-förmiger Speicherung notwendig, damit der aufzuwickelnde Draht 18 auf dem Förderband 25 aufgewickelt werden kann, ohne mit den Rollen 23 in Berührung zu gelangen. Dem entsprechend liegt immer dieselbe Seite des Förderbandes in der Querrichtung an den Rollen an.

Das Förderband ist vorzugsweise aus Federstahl hergestellt. Es wird an entsprechenden Rollen um 180° verdreht, wonach die Enden des Förderbandes durch Stumpfschweißung miteinander verbunden und angelassen werden. Das Förderband ist also permanent verdrillt. Der auf das Förderband schraubenförmig aufgewickelte Draht erhält zwangläufig die gleiche Anzahl von Verdrehungen wie das Förderband.

Nach dem Aufziehen des endlosen Förderbandes auf die Rollen und den Wickelkopf wird auf die außenliegende Hauptseite 26 des Förderbandes, d. h. auf die mit den Rollen nicht in Berührung gelangende Seite ein nicht erhärtender Klebstoff aufgetragen. Vorzugsweise wird ein im Handel erhältlicher Klebstreifen mit Papierunterlage verwendet wegen der Einfachheit, mit der er benutzt werden kann. Die Verwendung eines solchen Klebstreifens hat noch den weiteren Vorzug, daß er als Ganzes auf dem Förderband nach dem Abziehen der Wicklung zurückbleibt, wodurch ein besserer Füllfaktor in einer fertigen Spule erzielt wird.

Nach dem Aufbringen des Klebemittels wird der supraleitende Draht 18 von der Vorratsrolle 16 aus auf das Förderband schraubenförmig aufgewickelt, wobei die Wicklung 27 nach der F i g. 2 hergestellt wird. Der ziemlich steife Draht wird auf dem Förderband von dem Klebemittel festgehalten.

Gegenwärtig besteht ein für die Herstellung von. supraleitenden Spulen befriedigender supraleitender Draht aus Niobium-Zirkonium. Da ein solcher supraleitender Draht Eigenschaften aufweist, die denen des Klaviersaitendrahtes ziemlich ähnlich sind, ist die Verwendung eines aus Federstahl hergestellten und; mit einem Klebstoff belegten endlosen Förderbandes zweckmäßig. Theoretisch kann die einlagige Wicklung nur zwei Drahtenden als Anschlüsse aufweisen.

Da jedoch der Draht gegenwärtig nur in begrenzten Längen erhältlich ist, so verbleiben mehrere Paare von Drahtenden, die supraleitende Verbindungen in der einlagigen Wicklung erfordern. Jeder Draht endet vorzugsweise in einem vorherbestimmten Abschnitt

35 der Wicklung in der in der F i g. 3 dargestellten Weise, so daß die Enden 36 aller Leiter in der fertigen Wicklung im wesentlichen an derselben Stelle liegen. Der die Enden 36 der Leiter enthaltende Abschnitt wird vorzugsweise an einen freiliegenden und daher leicht zugänglichen Teil einer aus der Wicklung geformten Spule verlegt.

Wie am besten aus der F i g. 2 zu ersehen ist, besteht die Wicklung in dieser Herstellungsstufe aus einem oder mehreren Leitern, die nebeneinander auf dem Förderband 25 der Reihe nach und schraubenförmig aufgewickelt sind.

Bei großen Wicklungen, für die mehr als eine Spule Draht benötigt wird, kann die erste Drahtspule auf das Förderband aufgewickelt werden, bis diese bei 37 in der F i g. 3 ausläuft. Danach wird die nächste Drahtspule 18 auf dem Förderband an der Stelle 37 begonnen, an der der erste Leiter endet, und der zweite und alle folgenden Leiter werden vorzugsweise in der Nähe dieser Stelle beendet, so daß alle Endteile

36 der Leiter im wesentlichen in demselben Bezirk auf der Wicklung enden.

Nach dem Aufwickeln der gewünschten Anzahl von Windungen auf dem Förderband, wird auf die freiliegende Seite der Wicklung ein geeignetes elektrisch nichtleitendes Füllmaterial 48 aufgetragen, das die Windungen miteinander verbindet. Dieses Füllmaterial soll widerstandsfest gegen plötzliche Temperaturänderungen sein, es soll bei Raumtemperatur biegsam sein, einen niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten aufweisen, um eine Verformung bei supraleitenden Temperaturen und den damit verbundenen Beanspruchungen gering zu halten, und das Material soll bei allen Temperaturen einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Ein mit Erfolg verwendetes Füllmaterial ist ein bei Wärme aushärtendes Epoxydharz mit einem Zusatz von Aluminiumoxyd, das dem Material einen niedrigen Expansionskoeffizienten verleiht.

Wie aus F i g. 4 zu sehen, wird nach dem Auftragen des Füllmaterials 48 ein einen kleinen Widerstand aufweisender und nichtmagnetischer Streifen 45, z. B. aus Kupfer, mit einer Dicke von ungefähr 0,05 mm und mit einer Breite und Länge gleich der Wicklung sowie mit einem Belag aus einem isolierenden Material 46, wie Polytetrafluorethylen, z. B. mittels eines Klebstoffes 47 mit der freiliegenden: Fläche der Wicklung verbunden, so daß er einen Schutzstromkreis in Form eines geschlossenen elektrischen Stromkreises schafft.

Der Streifen 45 stellt nicht nur einen Schutzstromkreis in einer fertigen Spule dar, sondern hält auch die Windungen der Wicklung zusammen. Der Streifen 45 wird vorzugsweise aufgebracht, bevor die Draht-

.60 wicklung vom Förderband abgenommen wird; wenn der Streifen 45 z. B. wegen zu kleinem Durchmesser der Rollen 23 nicht befriedigend während des Wikkelns aufgebracht werden kann, kann er auch nach dem Aufnehmen der Wicklung aufgebracht werden, und zwar durch Übertragen der Wicklung auf eine nicht dargestellte Sammeltrommel mit einem Umfang entsprechend der Verdrillungslänge, so daß die Verdrillungen beim stirnseitigen Auflegen auf die

Trommel beseitigt werden. Der Streifen kann auf die auf die Sammeltrommel aufgelegte Wicklung aufgebracht werden.

Wenn der Streifen auf dem Förderband aufgebracht wird, ist die Größe der Rollen 23 wichtig. Ist der Durchmesser der Rollen 23 zu klein, so wird der Streifen beim Führen über die Rollen zu stark gereckt, wodurch das fertige Erzeugnis Buckel aufweisen kann.

Wird die Wicklung auf einem unverdrillten Förderband hergestellt, so kann sie von diesem einfach durch Abstreifen vollständig getrennt werden. Wird die Wicklung jedoch auf einem permanent verdrillten Förderband hergestellt, so kann die Wicklung nicht vollständig vom Förderband getrennt werden, es sei denn, das Förderband wird zuerst quer durchgeschnitten.

Die Festigkeit der Wicklung kann weiterhin dadurch erhöht werden, wenn ein Binde- oder Füllmaterial 48 auch auf die Unterseite der Wicklung bei der oder nach der Abnahme vom Förderband aufgetragen wird. Die F i g. 3 zeigt eine permanent verdrillte einlagige Wicklung 27, und die F i g. 4 ist ein stark vergrößert gezeichneter Schnitt durch die Wicklung. Wie aus der Fig. 4 zu ersehen ist, liegen die Windungen des zuerst mit Kupfer 49 und dann mit der Isolation 50 überzogenen supraleitenden Drahtes 18 im Füllmaterial 48 eingebettet. Der Klebstoff 47 verbindet den Kupferstreifen 45, der mit der Isolation 46 überzogen ist, mit der oberen Seite der Wicklung.

Die F i g. 5 zeigt eine sattelförmige Spule 55, d. h. eine Spule mit einer anderen als einer einfachen Rundspulenform, die nach der Erfindung hergestellt ist. Nimmt man eine unverdrillte endlose Wicklung und wird das Aufwickeln auf der Wicklung selbst fortgesetzt, um eine Anzahl von Lagen zu erzeugen, wie in der F i g. 5 dargestellt, so verdreht sich die Wicklung in der Längsrichtung bei jeder Lage um 360°. Ist die Wicklung fertiggestellt, so verbindet ein Teil 56 der Wicklung die erste mit der letzten Lage 57 und 58 der Spule, wie in der Fig. 5 dargestellt, enthält jedoch dieselbe Anzahl von Verdrehungen von 360° wie die Spule Lagen aufweist. Um zu verhindern, daß der Überquerungsteil 56 der Wicklung Verdrehungen aufweist, soll daher die Wicklung während des Wickeins mit so vielen permanenten Verdrehungen (mittels eines verdrillten Förderbandes) versehen werden, wie die Anzahl der in der fertigen Wicklung erwünschten Lagen beträgt, damit der Überquerungsteil 56 keine Verdrehung aufweist, wie in der F i g. 5 dargestellt. Sollte dies in der Praxis nicht durchführbar sein, so kann der Überquerungsteil in ein Rohrstück od. dgl. (nicht dargestellt) eingelegt werden. Dies bringt jedoch Nachteile, da diese Maßnahme zu einem vom Hauptfeld gesonderten Magnetfeld führt, wodurch das bei einer Wicklung mit einem gegebenen Umfang mögliche stärkste Feld geschwächt wird. Das Entfernen der Verdrehungen ist eine einfache Angelegenheit. Wird die Wicklung in der falschen Richtung gewickelt (je nach den Richtungen der permanenten Verdrehungen in der Wicklung, die alle in derselben Richtung liegen sollen), so vermindern sich die Verdrehungen in der Wicklung nicht.

Wird mit der Herstellung der Spule an den Endteilen 36 der Leiter begonnen, z. B. bei 59 in der Fig. 5, so liegen die Endteile der Leiter im überquerungsteil 56 der Wicklung, wodurch deren Verbindung miteinander zur Herstellung eines fortlaufenden supraleitenden Stromkreises erleichtert wird. Da die Anwendung von Wärme die erforderlichen supraleitenden Eigenschaften wesentlich beeinträchtigt, soll die Verbindung der Endteile 36 der Leiter mit mechanischen Preßverbindern hergestellt werden. Obwohl die Endteile der Leiter vorzugsweise sich im Überquerungsteil befinden sollen, so können sie auch in einem anderen freiliegenden Teil der Spulenwicklung verlegt werden. Befinden sich die Endteile nicht im Überquerungsteil der Wicklung, so kann es erforderlich werden, die Endteile der Leiter zwischen den Windungen und dem mit diesen verbundenen elektrisch leitenden Streifen anzuordnen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer sattelförmigen Spule mit mehreren Windungslagen aus supraleitendem Draht und einer zwischen den einzelnen Windungslagen angeordneten induktiven Abschirmung aus einem Metall, das bei tiefen Temperaturen normalleitend bleibt, d a durch gekennzeichnet, daß auf ein endloses Förderband (25), dessen Umfang um ein Mehrfaches größer ist als der Umfang der sattelförmigen Spule (55), eine einlagige Wicklung (27) aus nebeneinander angeordneten Windungen des supraleitenden Drahtes (18) aufgebracht wird, daß auf die einlagige Wicklung (27) das normalleitende Metall in Form eines Streifens (45), dessen Länge und Breite gleich dem Umfang und der Breite des Förderbandes (25) sind, aufgeklebt wird, und daß die von dem Förderband (25) abgenommene Wicklung auf sich selbst zu der sattelförmigen Spule (55) aufgewickelt wird, wobei sich ein Übergangsteil (56) bildet, welches die erste und die letzte Windungslage (57, 58) verbindet und die übrigen Lagen überquert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Verdrillungen in dem Übergangsteil (56) ein verdrilltes Förderband (25) verwendet wird, welches durch Aneinanderfügen der Enden eines mehrfach um seine Längsachsen um 360° verdrillten Bandes hergestellt wird, wobei die Anzahl der Verdrillungen gleich der Anzahl der Windungslagen der sattelförmigen Spule (55) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines supraleitenden Drahtes, der aus Drahtlängen besteht, die kleiner sind als die gesamte Wicklungslänge der sattelförmigen Spule (55), die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Drahtlängen in dem Ubergangsteil (56) angeordnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die einlagige Wicklung (27) vor dem Aufkleben des Me.tallstreifens (45) ein isolierendes Füllmittel (48) aufgebracht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen