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Verfahren zur Herstellung einer Spulenwicklung mit mindestens
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wicklungen mit aus einer Ebene herausragenden Teilen lassen sich deshalb
mit diesem Verfahren nicht herstellen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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10 Patentansprüche 3 Figuren