DE2557527A1 - Verfahren zur herstellung einer spulenwicklung mit mindestens zwei wicklungslagen - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer spulenwicklung mit mindestens zwei wicklungslagen

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Description

  • Verfahren zur Herstellung einer Spulenwicklung mit mindestens
  • zwei Wicklungslagen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer auf Tieftemperatur zu kühlenden elektrischen Spulenwicklung mit mindestens zwei benachbarten, band- oder drahtförmige Leiter enthaltenden Wicklungslagen, die an einer zwischen ihnen angeordneten isolierenden Zwischenlage zu einem festen Wickelkörper verbunden sind.
  • Zur Erzeugung starker Magnetfelder mit großer räumlicher Ausdehnung können Magnetwicklungen mit tiefgekühlten Leitern, insbesondere mit Supraleitern, verwendet werden. Wenn die Supraleiter dieser Magnetwicklunen mit Hilfe eines Kühlmittels, im allgemeinen mit Hilfe von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der sogenanntm kritischt Temperatur des für die Leiter verwendeten Supraleitermaterials abgekühlt werden, verschwindet praktisch der ohmsche Widerstand des Supraleitermaterials. Infolge des entsprechend verringerten Energiebedarfs bieten deshalb Supraleitungsmagnete gegenüber konventionellen Magneten mit Wicklungen aus elektrisch normalleitendem Material wie beispielsweise Kupfer den Vorteil, daß mit ihnen stärkere Magnetfelder und somit auch stärkere Magnetfeldgradienten erreicht werden können. Derartige supraleitende Magnetwicklungen werden beispielsweise für Fusionsreaktoren benötigt, deren starke Magnetfelder dazu dienen, ein heißes Plasma mittels magnetischer Kräfte zusammenzuhalten und damit einen Fusionsvorgang im Plasma zu ermöglichen. Ein weiteres Anwendungsgebiet solcher supraleitender Magnetwicklungen sind Trag- oder SeitenfAhrungsmagnete eines Magnetschwebesystems, das nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip eine berührungsfreie Führung eines Fahrzeugs längs einer ortsfesten Fahrbahn ermöglicht. Darüber hinaus können entsprechende supraleitende Wicklungen auch zur Ablenkung oder Fokussierung eines Strahls von geladenen Teilchen, beispielsweise in Teilchenbeschleunigern,vorgesehen sein.
  • Häufig ist bei derartigen Supraleitungsmagneten, beispielsweise bei Mehrpolmagneten zur Strahlführung, eine hohe Wicklungsdichte erforderlich, um das Volumen des Magneten und das benötigte Leitermaterial zu begrenzen.
  • Die Wicklungen der genannten Magnet müssen häufig aus mehreren Wicklungslagen aufgebaut werden. Dabei sind die Supraleiter jeder Wicklungslage gegen Verrückungen, beispielsweise unter dem Einfluß einer Lorentzkraft, zu sichern. Mit einer Imprägnierung einer Wicklung können z.B, solche Leiterbewegungen unterbunden werden (deutsche Offenlegungsschrift 2 258 600). Derartige imprägnierte Wicklungen lassen sich jedoch verhältnismäßig schwer kühlen, und es sind ddshalb im allgemeinen zwischen den einzelnen Wicklungslagen Kühlkanäle zur Führung eines Kühlmittels vorgesehen. Zur Ausbildung solcher Kühlkanäle müssen folglich die einander benachbarten Wicklungslagen, wenn auch nur geringfügig, beahstandet sein. Mit einer Beabstandung wird aber die Wicklungsdichte des Magneten entsprechend verringert.
  • Zur Erhöhung der Wicklungsdichte in solchen Supraleitungsmagnetspulen, die aus einzelnen Wicklungslagen zusammengesetzt sind, können vorteilhaft Doppelwicklungslagen, sogenannte "Doppelpancake"-Wicklungen vorgesehen sein. Solche Wicklungen bestehen im allgemeinen aus zwei etwa gleichgroßen Wicklungslagen, die jeweils aus bandförmigen Supraleitern gewickelt sind. Die Leiterwindungen der beiden Wicklungslagen sind dabei nur an einer zwischen den beiden Wicklungslagen angeordneten, isolierenden Zwischenlage befestigt. Die Herstellung einer derartigen Doppelpancake-Wicklung ist jedoch im allgemeinen verhältnismäßig schwierig. Die aus den bandförmigen Supraleitern gewickelte erste Wicklungslage muß nämlich auf einer Flachseite freigelegt werden, damit auf ihr die isolierende Zwischenlage und danach die zweite Wicklungslage aufgebracht werden können. Die isolierende Zwischenlage kann dabei mit einem aushärtbaren Klebermaterial versehen sein, um so die einzelnen Windungen der Wicklungslagen fest zu einem gemeinsamen Wickelkörper zusammenzuhalten.
  • Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch nur Wickelkörper von runder Gestalt mit verhältnismäßig großer Leiterbreite und verhältnismäßig kleinem Durchmesser herstellen. Sollen andere Wickelformen angefertigt werden, beispielsweise ovale Wicklungen, die verhältnismäßig schlank sind, so müssen zunächst die Supraleiter der ersten Wicklungslage um entsprechend geformte Wickelkerne gelegt werden. Aufgrund der verschieden großen Hauptachsen dieser Wickelformen ist selbst bei ebenen Wicklungslagen der Aufbau einer solchen Wicklung sehr labil. Da nämlich die erste Wicklungslage der Doppelpancake-Wicklung an einer Flachseite freiliegen muß, um so die isolierende Zwischenlage und dann die nächste Wicklungslage aufzubringen, besteht die Gefahr, daß sie sich an den stärker gekrfimm4en Teilen ähnlich einer Tellerfeder leicht aus ihrer Wickelebene herauswölbt. Dabei können sich ihre nur lose aneinanderliegenden Windungen leicht verschieben. Bei schlanken Doppelpancake-Wicklungen mit insbesondere nicht-runder Gestalt besteht also die Gefahr, daß schon die erste Wicklungslage wegen ihres labilen Aufbaus während des Wickelns zusammenbricht.
  • Wicklungen mit aus einer Ebene herausragenden Teilen lassen sich deshalb mit diesem Verfahren nicht herstellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung einer Wicklung aus mehreren benachbarten Wicklungslagen, insbesondere von Doppelpancake-Wicklungen, zu ermöglichen, bei der diese Schwierigkeiten nicht auftreten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Windungen der ersten Wicklungslage mittels einer Schicht aus einem Klebermaterial auf einem Wickeltisch befestigt werden, daß danach auf der freien Flachseite dieser ersten Wicklungslage die isolierende Zwischenlage und anschließend die Windungen der nächsten Wicklungslage aufgebracht werden, und daß schließlich der feste Wickelkörper von dem Wickeltisch und der Schicht aus dem Klebermaterial wieder getrennt wird.
  • Die Vorteile dieses Herstellungsverfahrens einer Wicklung bestehen insbesondere darin, daß die Gefahr eines Zusammenbrechens ihrer Wicklungslagen während des Herstellungsvorganges nicht besteht, da ihre erste Wicklungslage vorübergehend mit dem Wickeltisch fest verbunden wird. Es lassen sich deshalb verhältnismäßig leicht schlanke Wicklungen mit mindestens zwei aufeinanderliegenden Wicklungslagen, beispielsweise Doppelpancake-Wicklungen, anfertigen, deren Gestalt von einer runden Form abweicht.
  • Die Wicklungen können so beispielsweise ovale oder nierenförmige Gestalt haben. Darüber hinaus brauchen die Wicklungslagen der Wicklung nicht nur in einer Ebene zu liegen, d.h. es können mit diesem Verfahren auch sattelförmige Wicklungen hergestellt werden.
  • Als Material der Schicht zwischen dem Wickeltisch und der ersten Wicklungslage kann vorteîlhaft ein Klebermaterial mit einer vorgegebenen Erweichungstemperatur verwendet werden, das während des Wickelns der Wicklungslagen Sst ist. Di e Die Erweichungstemperatur des Klebermaterials soll dabei unterhalb einer kritischen Temperatur liegen, bei der Beschädigungen des Leitermaterials bzw.
  • des Wickelkörpers auftreten können. Zur Herstellung der vorübergehenden Befestigung der ersten Wicklungslage auf dem Wickeltisch wird das feste Klebermaterial, beispielsweise eine Schmelzkleberfolie, durch Erhitzung verflüssigt, so daß es den Wickeltisch und die erste Wicklungslage benetzt. Hierzu kann vorteilhaft der Wickeltisch mit einer entsprechenden Heizvorrichtung versehen sein. Nach Wiedererkalten des Klebermaterials ist dann die Wicklungslage fest mit dem Wickeltisch verbunden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß als Klebermaterial der Schicht ein Material verwendet wird, das einen von dem Material der Supraleiter wesentlich verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten hat und das sich bei starker Abkühlung von der ersten Wicklungslage ablöst. Durch eine rasche Abkühlung der Wicklung und des Wickeltisches, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, kann somit die Wicklung vom Wickeltisch leicht wieder getrennt werden, da dann die Schicht aus dem Klebermaterial reißt.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, an Hand deren Figuren 1 bis 3 als Ausführungsbeispiel ein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung nachfolgend erläutert wird.
  • Die in Fig. 1 in einem Schnitt nur teilweise dargestellte Wickelform zur Herstellung einer ebenen Spule enthält einen Wickeltisch 2 und eine Deckplatte 3. Diese beiden Teile, die zerlegt werden können, bilden mittels eines zwischen ihnen angeordneten und auf dem Wickeltisch befestigten Wickelkerns 5 einen ringscheibenförmigen W:ickelspat 6 aus. In diesem Spalt kann um den Wickelkern 5 ein vorbestimmts Anzhl von Windungen aus einem bandförmigen Supraleiter gel@@@ @@@, der von einer in der Figur nicht darge stellten Vorratsrolle entnommen wird. Hierzu sind zweckmäßig der Wickeltiscil 2 und die Deckplatte 3 um eine Achse A drehbar gelagert. In dem Wickeltisch 2 ist unter seiner mit 7 bezeichneten, an den Wickelspalt 6 angrenzenden Wickelfläche eine Aussparung vorgesehen, in der eine Heizvorrichtung 9 angeordnet werden kann. Mit Hilfe dieser Heizlorrichtung kann der Wickeltisch 2, d--r zweckmäßig thermisch gut leitendes Material enthält, auf ein vorbestImmte Temperatur erhitzt werden.
  • Gemäß Fig. 2 wird nun die Wickelfläche 7 des Wickeltischs 2 zunächst mit einer festen Schicht 1() aus einem Klebermaterial, beispielsweise einer Schmelzkleberfolie'versehen. Diese Schicht wird mit Hilfe der Heizvorrichtung 9 über ihre Erweichungstemperatur erhitzt, so daß sie schmilzt. Nach Abkühlung haftet die wiedererstarrte Schicht 10 fest an der Wickelfläche 7. Nun können die einzelnen Supraleiterwindungen 11 der ersten Wicklungslage 12 um den Wickelkern 5 gelegt werden. In der Figur sind nur einige Windungen 11 der Wicklung 12 angedeutet. Nachdem so die Wicklung 12 vollständig in dem Wickelspalt 6 angeordnet ist, wird noch einmal der Wickeltisch 2 mittels der Heizvorrichtung 9 so stark erwärmt, daß die Schicht 10 schmilzt und nun auch die ihr zugewandte Seite der Wicklungslage 12 benetzt. Nach erfolgter Abkühlung ist somit die Wicklungslage 12 ati dem Wickeltisch 2 festgeklebt, und die Deckplatte 3 der Wickelform läßt sich nun entfernen, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Wicklungslage 12 zusammenstürzt.
  • Ferner kann die Wicklungslage 12 an dem Wickeltisch 2 mittels der Kleberschicht 10 auch in einem Arbeitsgang befestigt werden, indem die Kleberschicht 10 erst nach dem Wickeln der Lage 12 erhitzt wird. Die Kleberfolie muß dann jedoch mechanisch ausreichend stabil sein, damit sie beim Wickelvorgang nicht beschädigt oder verschoben wird.
  • Auf dem Wickelkern 5 für die Wicklungslage 12 kann nun gemäß Fig. 3 ein entsprechender Wickelkern 14 für eine weitere Wicklungslage befestigt werden. .Die freie Flachseite der ersten Wicklungslage 12 kann nu mit einem aushärtbaren Klebermaterial, beispielsweise einem Epoxidharzkleber, bestrichen und mit einer mechanisch festen, isolierenden Zwischenlage 16 abgedeckt werden.
  • Als Zwischenlage kann eine glasfaserverstärkte Kunststoffolie vorgesehen sein. Nachdem die Deckplatte 3 auf den Wickelkern 14 wiederaufgesetzt ist und so ein Spalt 17 für die nächste Wicklungslage gebildet ist, wird die diesem Spalt zugewandte Seite der isolierenden Zwischenlage 16 ebenfalls mit diesem aushärtbaren Klebermaterial benetzt. Dabei werden die Windungen 18 der weiteren Wicklungslage 19 um den Wickelkern 14 gelegt. Nach Aushärtung des Klebermaterials an der Zwischenlage 16 kann dann die Deckplatte 3 entfernt und so die Doppelpancake-Wicklung freigelegt werden Um den aus den Wicklungslagen 12 und 19 bestehenden Wickelkörper von im Wickeltisch 2 trennen zu können, wird vorteilhaft als Klebermaterial für die Schicht 10 ein Material verwendet, das einen von dem Leitermaterial der Wicklung verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Werden nun der Wickeltisch 2 und die Wicklung stark abgekühlt, beispielsweise mit Hilfe von flüssigem Stickstoff, so reißt die Kleberschicht 10 aufgrund ihrer gegenüber dem Leitermaterial verschiedenen Schrumpfung. Die Verbindung zwischen dem Wickeltisch 2 und dem Wickelkörper kann auf diese Weise leicht gelöst werden. Eventuell noch an dem Wickelkörper haftende Klebermaterialreste können dann beispielsweise in einem Stickstoffbad verhältnismäßig leicht entfernt werden.
  • Damit bei einer Abkühlung der Wicklung auf Tieftemperatur nicht auch die isolierende Zwischenlage mit ihrem ausgehärteten Klebermaterial beschädigt wird, kann für sie zweckmäßig ein Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten,der zumindest annähernd dem des Leitermaterials entspricht, verwendet werden.
  • Im Ausführungsbeispiel wurde die Herstellung einer Doppelpancake-Wicklung aus bandförmigen Supraleitern beschrieben, die mit einem normalleitenden Metall stabilisiert sein können und beispielsweise mit flüssigem Helium gekühlt werden. Derartige Leiter sind insbesondere Hochfeldsupraleiter wie beispielsweise Niob-Titan-Drähte, die mit Kupfer stabilisiert und zu Leiterbändern verarbeitet sind.
  • Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung ist jedoch ebenso gut für andere Leiterformen, beispielsweise für drahtförmige Leiter, anwendbar. Als Materialien für die Leiter kommen ferner auch auf Tieftemperatur zu kühlende, normalleitende Metalle wie beispielsweise Aluminium oder Beryllium in Frage. Diese Materialien können mit anderen Kühlmitteln, z.B. mit flüssigem Wasserstoff, auf Tieftemperatur gehalten werden.
  • Abweichend von der Herstellung einer ebenen Doppelpancake-Wicklung gemäß den Figuren 1 bis 3 können der Wickeltisch 2, die Wickelkerne 5 und 14 sowie die Deckplatte 3 auch so geformt sein, daß zwischen ihnen ein im Querschnitt gekrümmter Spalt ausgebildet wird. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise sattelförmige Doppelpancake-Wicklungen herstellen.
  • Obwohl das vorbeschriebene Verfahren gemäß der Erfindung insbesondere zur Herstellung von Doppelpancake-Wicklungen geeignet ist,- können beispielsweise auch Wicklungen mit mehr als zwei Lagen, beispielsweise mit drei Lagen, in entsprechender Weise hergestellt werden.
  • 10 Patentansprüche 3 Figuren

Claims (10)

  1. Patentansprüche Verfahren zur Herstellung einer auf Tieftemperatur zu kühlenden elektrischen Spulenwicklung mit mindestens zwei benachbarten, band- oder drahtförmige Leiter enthaltenden Wicklungslagen, die an einer zwischen ihnen angeordneten isolierenden Zwischenlage zu einem festen Wickelkörper verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (11) der ersten Wicklungslage (12) mittels einer Schicht (10) aus einem Klebermaterial auf einem Wickeltisch (2) befestigt werden, daß danach auf der freien Flachseite dieser ersten Wicklungslage (1 die isolierende Zwischenlage (16) und anschließend die Windungen (18) der nächsten Wicklungslage (19) aufgebracht werden, und daß schließlich der feste Wickelkörper von dem Wickeltisch (2) und der Schicht (10) aus dem Klebermaterial wieder getrennt wird.
  2. 2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Schicht (10) ein Klebermaterial mit einer vorgegebenen Erweichungs-tempeIatur verwendet wird, das sich während des Wickelns der Wicklungslagen (12, 19) im festen Zustand befindet.
  3. 3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickeltisch (2) mittels einer Heizvorrichtung (9) über die Erweichungstemperatur des Klebermaterials der Schicht (10) erwärmt wird.
  4. 4. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Schicht (10) aus dem Klebermaterial eine Schmelzkleberfolie verwendet wird.
  5. 5. zu Erste Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Klebermaterial der Schicht (10) ein Material verwendet wird, das einen von dem Material der Leiter der Wicklungslagen (12, 19) verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten hat und das sich bei Abkühlung von der ersten Wicklungslage (12) ablöst.
  6. 6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abkühlung ein kryogenes Medium, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, verwendet wird.
  7. 7. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (16) mittels eines aushärtbaren Klebermaterials mit den ihr benachbarten Wicklungslagen (12, 19) verbunden wird.
  8. 8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als aushärtbares Klebermaterial ein Epoxidharz verwendet wird.
  9. 9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Zwischenlage (16) und des aushärtbaren Klebermaterials Stoffe vorgesehen werden, deren Ausdehnungskoeffizienten zumindest annähernd dem der Leiter der Wicklungslagen (12, 19) entsprechen
  10. 10. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Leiter für die Windungen (11, 18) der Wicklungslagen (12 bzw. 19) Supraleiter verwendet werden.
DE2557527A 1975-12-19 1975-12-19 Verfahren zur Herstellung einer auf Tief temperatur zu kühlenden elektrischen Spulenwicklung Expired DE2557527C3 (de)

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DE2557527B2 DE2557527B2 (de) 1979-08-16
DE2557527C3 DE2557527C3 (de) 1980-04-24

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EP0786141A1 (de) 1994-10-13 1997-07-30 American Superconductor Corporation Supraleitende magnetspule mit variablem profil

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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