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Innenkontakt zwischen zwei Spulen in benachbarten Wicklungslagen einer
Magnetwicklung Die Erfindung bezieht sich auf einen Innenkontakt zwischen zwei scheiben-
oder schalenförmigen Spulen in benachbart zueinander angeordneten Wicklungslagen
einer Magnetwicklung mit bandförmigen, tiefgekühlten Leitern.
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Magnete mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklung aus tiefgekühlsten
Leitern, insbesondere supraleitende Dipol- oder Quadrupolmagnete, können zur Ablenkung
oder Fokussierung von Strahlen geladener Teilchen, beispielsweise in Teilchenbeschleunigern
oder MHD-Generatoren, verwendet werden. Wenn die Leiter der Wicklung eines solchen
Magneten mit Hilfe eines Kühlmittels, insbesondere mit Hilfe von flüssigem Helium,
auf eine Temperatur unterhalb der sogenannten kritischen Temperatur des für die
Leiter verwendeten Supraleitermaterials abgekühlt werden, verschwindet der ohmsche
Widerstand des Supraleitermaterials. Supraleitungsmagnete bieten deshalb gegenüber
konventionellen, mehrpoligen Magneten mit Wicklungen aus elektrisch normalleitendem
Metall wie beispielsweise Kupfer infolge des erheblich verringerten Energiebedarfs
den Vorteil, daß stärkere Magnetfelder und stärkere Magnetfeldgradienten erreicht
werden können.
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Bekanntlich läßt sich eine mehrpolige Magnetfeldkonfiguration durch
eine sogenannte cos n e -Verteilung der Stromdichte über die Öffnung eines Hohlzylinders
oder durch eine entsprechende Anordnung von Wicklungssektoren konstanter Stromdichte
erreichen. Bei einer cos n e -Verteilung der Stromdichte stellt man auf der Oberfläche
des Hohlzylinders einen Strombelag mit einer Stromdichte in azimutaler Richtung
1
= 10 cos n 2.e aA/mv ein. Dabei bedeuten 10 die azimutale Stromdichte an einem Antipol,
d. h. in der Mitte zwischen zwei Polen, n die Anzahl der Pole und C der Winkelabstand
der Stelle von einem Antipol, an der die Stromdichte Ie herrscht. Wie aus der Zeitschrift
11IDEE Trans. Nucl. Sci, Juni 1967, Seiten 389 bis 392, im einzelnen bekannt ist,
kann man eine derartige Stromverteilung bei einem Supraleitungsmagneten mit einer
zwei-oder mehrpoligen Magnetfeldkonfiguration dadurch erreichen, daß man seine Wicklung
aus einer entsprechenden Anzahl von langgestreckten, sattelartig geformten Teilwicklungen
aufbaut, die jeweils aus einer schalenförmigen Spule bestehen und auf einem hohlzylindrischen
Körper angeordnet sind. Die Spulen sind in mehrere Wickelpakete unterteilt, deren
parallel zur Längsachse dieses Körpers verlaufende geraden Teile einen annähern
rechteckigen Querschnitt haben. Sie sind dabei so ausgestaltet, daß die Stromdichte
in den Wickelpaketen von den Antipolen zu den Polen hin annähernd gemäß der angegebenen
Multipolformel abnimmt.
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Der Aufbau eines entsprechenden supraleitenden Quadropolmagneten ist
beispielsweise in pProc. of the 2nd Intern. Coli. on Magnet Technology", Oxford
1967, Seiten 574 bis 578, angegeben. Bei einem solchen Magneten, dessen vier schalenförmige
Spulen aus supraleitenden Bändern bestehen, die zu Wickelpaketen entsprechend dem
geforderten Strombelag zusammengefaßt sind, ist vorgesehen, daß das Strahlrohr zugleich
das Innenrohr eines Kryostaten bildet, um den Abstand der Wickelpakete vom Aperturrand
möglichst klein zu halten. Sehr hohe Feldgradienten kann man nur mit einer sehr
hohen effektiven Stromdichte in den Antipolen erhalten. Dazu kann eine Belastung
der Supraleiterbänder bis in die Nahe der für sie kritischen Stromstärke erforderlich
werden. Darüber hinaus müssen die Supraleiterbänder der Spulen gegen Verrückungen,
insbesondere
auch unter dem Einfluß der Lorentz-Kraft, gesichert
sein. Im allgemeinen werden deshalb aus den bandförmigen Leitern einzelne feste
Wickelpakete hergestellt, die unter einem entsprechenden Zug um einen Wickelkern
gelegt werden.
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Neben diesen einlagig gewickelten Teilwicklungen mit Jeweils einer
Spule kann das erforderliche Magnetfeld auch durch eine Uberlagerung der Magnetfelder
von mehreren schalenförmigen Spulen in mehreren Wicklungslagen erreicht werden.
Die Wicklungslagen sind dann konzentrisch zueinander um ein Innenrohr angeordnet
und enthalten jeweils eine oder mehrere, in Umfangsrichtung nebeneinander liegende
Spulen. Diese Wicklungslagen werden zweckmäßig untereinander geringfügig beabstandet,
um so einteKühlmittel, im Falle von supraleitenden Spulen zweckmäßig Helium, den
Zutritt zu den Leitern zu ermöglichen und Verluste schnell abführen zu können. Mit
diesem Wicklungsaufbau ist somit auch eine schnelle Abkühlung der Supraleiter wieder
auf die Supraleitungstemperatur gewährleistet, wenn in einem Störungsfalle der Supraleiter
in den normalleitenden Zustand übergegangen ist.
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Die Abstände zwischen den benachbarten Spulen in konzentrischen Wicklungslagen
müssen aber klein gehalten werden, um so ein homogenes Feld hoher Intensität in
einem verhältnismäßig großen Bereich in dem Innenrohr zu gewährleisten. Sind nämlich
die einzelnen Wicklungslagen weiter beabstandet, wären zusätSich Wicklungslagen
bzw. Spulen erforderlich, die bekanntlich aufgrund ihres größeren Abstandes zur
Magnetachse einen geringeren Beitrag zum gemeinsamen Magnetfeld leisten. Der Aufwand
an supraleitendem Material würde sich dementsprechend vergrößern. Aus technologischen
und wirtschaftlichen Gründen dürfen also die Wicklungslagen nur geringfügig beabstandet
sein.
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Bei der Herstellung der Wicklung eines solchen Magneten müssen die
einzelnen Spulen in den verschiedenen Wicklungslagen auch an ihren inneren Leiterendstücken
kontaktiert werden. Da die
Zwischenräume zwischen den benachbarten
Wicklungslagen im allgemeinen zu gering sind, können die inneren Endstücke der Leiter
nicht mit Zuführungsleitungen versehen sein, die aus der Wicklung herausgeführt
und außen miteinander kontaktiert werden. Innenkontakte zwischen zwei Spulen ineng
benachbarten Wicklungslagen können vermieden werden, wenn die zwei Spulen aus einem
gemeinsamen Leiter-gewickelt werden können. Bei parallelen, ebenen Wicklungslagen,
deren Spulen scheibenförmig ausgebildet sind, ist diese Wickeltechnik mit großem
Aufwand durchführbar. Eine derartige Doppel spule aus einem gemeinsamen Leiter läßt
sich mit Hilfe einer festen Wickelform herstellen, indem das Wickeln in der LeitermittUbegonnen
wird und eine Leiterhälfte sich euf einer Vorratsspule befindet, während die andere
auf eine Hilfsspule aufgebracht werden muß. Diese Hilfsspule muß während des Wickelns
der ersten Spule mit der Wickelform mitlaufen. Beim Wickeln der zweiten Spule dient
die Hilfsspule dann als Vorratsspule. Ein derartiges Halbieren der Leiterlänge erfordert
somit Zeit und erhöht den Verschnitt.
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Doppelte, schalenförmige Spulen für gekrümmte Wicklungslagen, wie
sie beispielsweise für Strahlführungsmagnete benötigt werden, lassen sich jedoch
mit einer entsprechenden Wickeltechnik nicht aus einem gemeinsamen Leiter herstellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, zwischen jeweils zwei scheiben-
oder schalenförmig ausgebildeten Spulen, die jeweils in verschiedenen, engEenachbarten
Wicklingslagen einer Magnetwicklung angeordnet sind, einen Innenkontakt als widerstandsarme
Verbindung der Leiter der beiden Spulen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird für einen Irmenkontakt der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leiter benachbarter Spulen mit entgegengesetztem
Wickelsinn jeweils um einen Wickelkern gelegt und zu einer starren Form zusammengefaßt
sind und an ihren inneren Endstücken mittels eines Kontaktstüclkes verbunden sind.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die Kontaktierung im Innenbereich der scheiben- oder schalenförmigen Spulen
die Herstellung der Magnetwicklung wesentlich vereinfacht und der Materialverbrauch
gesenkt wird. Insbesondere lassen sich mit einer entsprechenden Wickeltechnik auch
gekrümmte, sattelförmige Spulen herstellen, die bekanntlich nur mit Hilfe fester
Wickelformen aus mehreren Leiterstücken gewickelt werden können.
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Darüber hinaus lassen sich auch mit dem Innenkontakt supraleitende
Magnetwicklungen mit Leitern herstellen, die supraleitendes Material enthalten.
Die Leiter können vorzugsweise Hochfeldsupraleiter sein, die mit normalleitendem
Material zumindest teilweise stabilisiert sind. Wie nach einer weiteren Ausbildung
der Erfindung vorgesehen ist, kann dann das Kontaktstück des Innenkontaktes vorteilhaft
aus einem normalleitenden Material bestehen, das mindestens teilweise mit einer
supraleitenden Schicht versehen ist. Insbesondere kann das Kontaktstück zumindest
an der Flachseite, an der die beiden Endstücke der Leiter der beiden Spulen anliegen,
mit einer Folie aus einem Hochfeldsupraleiter überzogen sein. Der Übergangswiderstand
am Kontakt stück zwischen den beiden Endstücken läßt sich dann vorteilhaft klein
halten. Somit kann auch die Gefahr eines Quenches, d. h. die Gefahr des Normalleitendwerdens,
an dieser Stelle und die damit verbundene Störung des von den beiden Spulen erzeugten
Magnetfeldes verhindert, zumindest aber verringert werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
Figur 1 schematisch ein Querschnitt durch einen Strahlführungsmagneten mit mehreren
Wicklungslagen veranschaulicht ist. In Figur 2 ist ein Innenkontakt gemäß der Erfindung
zwischen zwei Spulen in verschiedenen W.:cklungslagen eines Magneten naher gezeigt.
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Der in Figur 1 angedeutete Magnet, der beispielsweise zur Ablenkung
oder
Fokussierung von Strahlen geladener Teilchen wie beispielsweise von Protonen in
einem Teilchenbeschleuniger dienen kann, enthält ein Trägerrohr 2, das konzentrisch
um eine Strahlführungsachse 3 angeordnet ist. Es besteht beispielsweise aus einem
mit Glasfasern verstärkten Kunststoff und umschließt ein in der Figur nicht dargestelltes,
vakuumfestes Rohr, in dem der Teilchenstrahl geführt wird. Um das Trägerrohr 2 ist
eine tiefgekühlte Wicklung angebracht, deren Leiter beispielsweise supraleitendes
Material enthalten. Die Wicklung besteht aus sieben konzentrisch zueinander angeordneten
Wicklungslagen, die mit 4 bis 10 bezeichnet sind. Sie sind untereinander und bezüglich
des Trägerrohres 2 durch Zwischenräume 11 getrennt. Durch diese Zwischenräume kann
ein kryogenes Medium zum Abkühlen der Leiter, im Falle von Supraleitern Helium,
geführt werden. Sie werden beispielsweise durch in der Figur nicht dargestellte
Bandagen gebildet, die um Jede Wicklungslage gelegt sind. Jede Wicklungslage enthält
zwei gleichgroße, gekrümmte schalenförmige Spulen, die jeweils etwa die Hälfte der
Mantelfläche der entsprechenden Wicklungslage überdecken.
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Die einheitlich mit 13 bezeichneten Spulen enthalten jeweils einen
entsprechend gekrümmten Wickelkern 15, um den die Leiter der Wicklung angeordnet
sind. Die Wicklungskerne können vorteilhaft in radialer Richtung, beispielsweise
aufgrund entsprechender Bohrungen, kühlmitteldurchlässig sein.
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Als Leiter können insbesondere Hochfeldsupraleiter wie beispielsweise
Niob-Titan-Drähte verwendet werden, die mit Kupfer stabilisiert und zu Leiterbändern
geflochten sind. Um diese so gebildeten flexiblen Bänder um die Wickelkerne 15 legen
zu können, sind besondere Wickelformen notwendig. Beispielsweise können die Wickelkerne
15 zwischen zwei konzentrische Wikkelschalen eingespannt sein, die seitlich von
den Wickelkernen einen, der Jeweiligen vorgegebenen Wicklungslage angepaßten, gekrümmten
Spalt freigeben. In diese Spalte werden dann die Leiterbänder in einem vorbestimmten
Wickelsinn eingelegt.
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Da sich nach der Bewicklung die so sattelartig geformten Spulen bei
Entfernen der Wickelform verbiegen würden, bzw. die einzelnen Leiterbänder ihre
Lage insbesondere an den Wickelköpfen der Spulen nicht beibehalten würden, müssen
die Leiterbänder dieser Spulen zu starren Wickelpaketen zusammengefaßt werden. Diese
in der Figur durch Schraffur angedeuteten und mit 17 bezeichneten Wickelpakete können
beispielsweise durch eine Tränkung der Leiterbänder unter Vakuum mit einem aushärtbaren
Kunstharz hergestellt werden. Nach dem sich anschließenden Aushärtvorgang kann dann
aus jeweils zwei gleich gestalteten starren Spulen 13 die entsprechende Wicklungslage
zusammengesetzt werden.
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Um ein zweipoliges Magnetfeld im Inneren des Trägerrohres 2 zu erzeugen,
sind die einzelnen Spulen der Magnetwicklung so ausgelegt, daß sie, im Querschnitt
gesehen, jeweils eine-etwa ellipsenförmige Fläche teilweise überdecken. Die beiden
diametral zueinander angeordneten und gleichgroßen Ellipsenflächen durchdringen
sich gegenseitig. Sie können beispielsweise, wie im Ausführungsbeispiel vorgesehen
ist, einen Brennpunkt gemeinsam haben, der auf der Strahlführungsachse 3 liegt.
Im Durchschnitt der beiden Flächen liegt das Trägerrohr 2. Die Leiter von jeweils
zwei, in benachbarten, konzentrischen Wicklungslagen angeordneten Spulen 13 sind
in Reihe geschaltet, wobei die Anzahl der Leiterwindungen um die Wicklungskerne
in radialer Richtung von innen nach außen entsprechend abnimmt, bzw.
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die Breite dieser Wicklungskerne entsprechend zunimmt.
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Um jeweils zwei dieser Spulen 13, die beispielsweise in den Wicklungslagen
4 und 5 zueinander benachbart sind, in Reihe zu schalten, ist ein Innenkontakt gemäß
der Erfindung erforderlich. Dieser Kontakt ist aus der Figur 2 näher ersichtlich.
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In Figur 2 ist eine Doppelspule aus zwei ebenen, scheibenförmigen
Spulen 20 und 21 teilweise veranschaulicht. Die beiden Spulen liegen jeweils in
einer Wicklungslage und sind untereinander beabstandet. Jede Spule enthält eine
Vielzahl von Windungen aus bandförmigen Leitern 22 bzw. 23, die jeweils um einen
Wickelkern 15 so gelegt sind, daß die Flachseiten benachbarter
Leiterbänder
aneinanderliegen. Von den Wickelkernen ist in der Figur nur der zur Spule 20 bzw.
deren Leiter 22 gehörende Wickelkern teilweise angedeutet. Die beiden scheibenförmigen
Spulen 20, 21 sind in zueinander entgegengesetztem Wickelsinn gewickelt und so hintereinander
geschaltet, daß, wie in der Figur durch Pfeile angedeutet ist, der Doppelspule beispielsweise
ein Strom am äußersten Endstück 24 des Leiters 22 der Spule 20 zugeführt und am
äußersten Endstück 25 des Leiters 23 der parallel dazu angeordneten Spule 21 wieder
abgenommen werden kann. Hierzu sind die beiden inneren Endstücke 27 und 28 der Spulen
20 und 21 miteinander elektrisch gutleitend verbunden. Diese Verbindung wird von
einem flachen Kontaktstück 30 gebildet, das an der Flachseite des Endstücke 27 der
Spule 20 befestigt, beispielsweise angelötet ist. Dieses Kontaktstück ist so breit,
daß es auch mit der Flachseite des Endstückes 28 der Spule 21 verbunden werden kann.
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Das Kontakt stück 50 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen, das
entweder direkt an das Stabilisierungsmaterial der bandförmigen Endstücke 27, 28
der Hochfeldsupraleiter 22, 23 der Spulen 20, 21 angelötet wird. Um den Ubergangswiderstand
zwischen den beiden Endstücken über das Kontakt stück zu verringern, kann das Kontaktstück
zusätzlich noch mit einer supraleitenden Schicht, beispielsweise aus Niob-Zinn,
überzogen sein, oder eine entsprechend dünne Folie zwischen den Endstück ken und
dem Kontakt stück angebracht sein.
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Um ein Verrücken der Spulen in den Wicklungslagen eines Magneten zu
verhindern, sind um diese mehrere Bandagenbänder gelegt.
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In der Figur sind einzelne dieser Bandagenbänder um die Spule 20 angedeutet
und mit 32 bezeichnet. Damit auch an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Spulen
20 und 21 solche Bandagenbänder angebracht werden können, ist das Kontaktstück 30
in seinem aus der Ebene der Spule 20 herausstehenden Teil mit entsprechenden Aussparungen
34 versehen, in die diese Bandagenbänder 32 eingelegt werden können. Das Endstück
28 des Leiters 23 der SPile 21 ist somit mit kammartigen Fortsätzen 35
des
Kontaktstückes 30 verbunden.
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Neben der Fixierung der Spulen auf parallel darunterliegenden Spulen
oder auf einem Trägerrohr dienen vorteilhaft die Bandagenbänder 32 als Abstandsstücke
zwischen den benachbarten, übereinanderliegenden Spulen. Zwischen den einzelnen
Bandagenbändern werden dabei in Umfangsrichtung parallele Kühlkanäle 37 ausgebildet,
die zur Führung eines kryogenen Mediums, beispielsweise Helium, zwischen den Spulen
einer entsprechenden Wicklung eines Magneten dienen können. Um auch einen Kühlmittelfluß
in Normalenrichtung senkrecht durch die Wicklungslagen zu ermöglichen, sind zweckmäßig
in den Wickelkernen 15 entsprechende Bohrungen 39 in radialer Richtung vorgesehen.
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Bei der Herstellung der Spule 20 kann beispielsweise das Endstück
27 ihres Leiters 22 schon vor dem Wickelvorgang mit dem kammartigen Kontaktstück
30 versehen sein. Das Kontaktstück und das Endstück können dann nach innen etwa
um 900 in eine entsprechende Aussparung des zugehörigen Wickelkerns 15 umgelegt
sein, damit als Wickelform zwei konzentrische Wickelschalen zum Einspannen des Wickelkerns
15 sowie zur Ausbildung der Wjckelspalte verwendet werden können. Nach dem Fertigungsvorgang
der Spule 20 wird das Kontakt stück 30 wieder aufgerichtet, so daß seine kammartigen
Fortsätze 35 aus der Ebene der Spule 20 herausragen. Die Spule 21 ist mit einer
entsprechenden Aussparung versehen, in der das Endstück 28 ihres Leiters 23 frei
liegt und das Kontaktstück 50 beim Aufbringen der Spule 21 auf die bandagierte Spule
20 einpaßt. Gemäß der Ausführungsform nach Figur 1 liegt diese Aussparung nicht
am Rande des Wickelkerns 15 der Spule 21, sondern etwas nach der Mitte ihres Wickelkerns
versetzt.
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5 Patent ansprüche 2 Figuren