DE2557527C3 - Verfahren zur Herstellung einer auf Tief temperatur zu kühlenden elektrischen Spulenwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf ein Verfahren zur Herstellung einer auf Tieftemperatur zu kühlenden elektrischen Spulenwieklung mit mindestens zwei benachbarten, band- oder drahtförmige Leiter enthaltenden Wicklungslagen, die an einer zwischen ihnen angeordneten, isolierenden Zwischenlage zu einem festen Wickelkörper verbunden sind.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Zeitschrift »Cryogenics«, Bd. 14, März 1974, Nr. 3, Seiten 164 bis 167 bekannt.

Zur Erzeugung starker Magnetfelder mit großer räumlicher Ausdehnung können Magnetwicklungen mit

ίο tiefgekühlten Leitern, insbesondere mit Supraleitern, verwendet werden. Wenn die Supraleiter dieser Magnetwicklungen mit Hilfe eines Kühlmittels, im allgemeinen mit Hilfe von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der sogenannten kritischen 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 supra-

j(i leitender Magnetwicklungen sind Trag- oder Seitenführungsmagnete 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,

in beispielsweise bei Mehrpolmagneten zur Strahlführung, eine hohe Wicklungsdichte erforderlich, um das Volumen des Magneten und das benötigte Leitermaterial zu begrenzen.

Die Wicklungen der genannten Magnete müssen

v-, 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 /.. B. solche Leiterbewegungen unter-

5» bunden werden (deutsche Offenlegungsschrift 22 58 600). Derartige imprägnierte Wicklungen lassen sich jedoch verhältnismäßig schwer kühlen, und es sind deshalb im allgemeinen zwischen den einzelnen Wicklungslagen Kühlkanäle zur Führung eines Kühlmittels vorgesehen. Zur Ausbildung solcher Kühlkanälc müssen folglich die einander benachbarten Wicklungslagen, wenn auch nur geringfügig, beabstandet sein. Mit einer Beabstandung wird aber die Wicklungsdichte des Magneten entsprechend verringert,

hu Zur Erhöhung der Wicklungsdichtc in solchen Supraleitungsmagnetspulen, die aus einzelnen Wicklungslagen zusammengesetzt sind, können vorteilhaft Doppelwicklungslagen, sogenannte »Doppclpancakc«- Wicklungen vorgesehen sein. Solche Wicklungen bestehen im allgemeinen uns zwei etwa gleichgroßen Wicklungslagen, die jeweils aus bandförmigen Supraleitern gewickelt sind. Üie 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 Gestall mit verhältnismäßig großer Leiterbreite und verhältnismäßig kleinem Durchmesser herstellen. Solien 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 Zwischen- 2> lage und dann die nächste Wicklungslage aufzubringen, besteht die Gefahr, daß sie sich an den stärker gekrümmten Teilen ähnlich einer Tellerfeder leicht aus ihrer Wickelebene herauswölbL Dabei können sich ihre nur lose aneinanderliegenden Windungen leicht ver- to schieben. Bei schlanken Doppelpancake-Wicklungen mit insbesondere nicht-runder Gestalt besteht also die Gefahr, daß schon die erste Wicklungslage wegen ihres labilen Aufbaus während des Wickeins zusammenbricht. Wicklungen mit aus einer Ebene herausragenden r> Teilen lassen sich deshalb mit diesem Verfahren nicht herstellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverlahren einer Wicklung aus mehreren benachbarten Wicklungslagen, insbesondere von Doppel- to pancake-Wicklungen, anzugeben, bei dem auch bei größeren Querschnitten und stärker gekrümmten Teilen während des Wickeins die Windungen ihre Lage beibehalten und sich nicht aus ihrer Wickelebene herauswölben. 4")

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 w 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. γ,

Die Vorteile dieses erfindungsgetuäßen Herstellungsverfahrens einer Wicklung bestehen insbesondere darin, daß die Gefahr eines Zusammenbrechens ihrer Wicklungslagen während des Herstellungsvorganges nicht besteht, da ihre erste Wicklungslage vorüber- bo gehend mit dem Wickeltisch fest verbunden wird. Es lassen sich deshalb verhältnismäßig leicht schlanke Wicklungen mit mindestens zwei aufeinanderliegenden Wicklungslagen, beispielsweise Doppelpancake-Wicklungcn, anfertigen, deren Gestalt von einer runden h> 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 satteiförmige Wicklungen hergestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als Material der Schicht ein Klebermaterial mit einer vorgegebenen Erweichungstemperatur verwendet, das sich während des Wickeins der Wieklungslagen im festen Zustand befindet. Die Erweichungstemperatur des Klebermaterials soll dabei unterhalb einer kritischen Temperatur liegen, bei der Beschädigungen des Leitermaterials bzw. des Wickelkörper 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 Wicklungslüge benetzt. Hierzu kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Wickeltisch mittels einer Heizvorrichtung über die Erweichungstemperatur dr· Klebermaterials der Schicht erwärmt werden. Nach Wiedererhalten des Klebermaterials ist dann die Wicklungslage fest mit dem Wickeltisch verbunden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann als .Schicht aus dem Klebermaterial eine Schmelzkleberfolie verwendet werden. Aus der Zeitschrift »Feinwerktechnik«, Bd. 70, 1966, Nr. 12, Seiten 567 bis 574 ist es bekannt. Körper mit einer beidseitig klebenden Folie auf einer flachen Unterlage zu befestigen.

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 Leiter der Wicklungslagen verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten hat und das sich bei Abkühlung von der ersten Wicklungslage ablöst. Durch eine rasche Abkühlung der Wicklung und des Wickeltisches, wobei gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zu:· Abkühlung ein kryogenes Medium, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, verwendet wird, kann somit die Wicklung von. Wickeltisch leicht wieder getrennt werden, da dann die Schicht aus dem Klebermaterial reißt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den restlichen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand der F i g. I bis 3 der schematischen Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung nachfolgend erläutert:

Die in Fig. I 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 Wickelspalt 6 aus. In diesem Spalt kann um den Wickelkern 5 eine vorbestimmte Anzahl von Windungen aus einem bandförmigen Supraleiter gelegt werden, der von einer in der Figur nicht dargestellten Vorratsrolle entnommen wird. Hierzu sind zweckmäßig der Wickeltisch 2 und die Deckplatte 3 um eine Achse drehbar gelagert, In dem Wickeltisch 2 ist unter seiner mit 7 bezeichneten, an den Wickelspalt 6 angrenzenden Wickelfläch«¹ eine Aussparung vorgesehen in der eine Heizvorrichtung 9 angeordnet werden kann. Mit Hilfe dieser Heizvorrichtung kann der Wickeltisch 2. der zweckmäßig thermiscii gut leitendes Material enthält, auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden.

Gemäß F i g. 2 wird nun die Wickelfläche 7 des Wickeltischs 2 zunächst mit einer festen Schicht (O aus einem Klebermaterial, beispielsweise einer Schmelz-

kleberfolie, 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 Wickclflächc 7. Nun können die einzelnen Supraleiterwindungen 11 der ersten Wicklungslage \2 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 Wickclspalt 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 an dem Wickellisch 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 F i g. 3 ein entsprechender Wickelkern 14 für eine weitere Wicklungslage befestigt werden. Die freie Flachseite der ersten Wicklungslage 12 kann nun mit einem aiishärtbaren 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

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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 beMehcnden Wickelkörper von dem Wickeltisch 2 trennen zu können, wird vorteilhaft als Klebermaterial für die Schicht 10 ein Material verwendet, das einen ven 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 haftend- Klebermaterialresle können dann beispielsweise in unem .Stickstoffbad verhältnismäßig leicht entfernt werden.

Damit bei einer Abkühlung der Wicklung auf Tieftemperatur nicht auch die isolierende Zwischenlage mit ihrem ausgehärteten Klehcrmatcrifil beschädigt wird. kann für sie zweckmäßig ein Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der zumindest annähernd dem des Leitermaterials entspricht, verwendet werden.

Im Ausführungsbeispiel wurde el··¹ Herstellung einer Doppelpancake-Wicklung aus bandförmigen Supraleitern beschrieben, die mit einem normallcitcndcn Metall stabilisiert sein können und beispielsweise mit flüssigem Helium gekühlt werden. Derartige Leiter sind insbesondere Hochfcldsupralciler wie beispielsweise NiobTitan-Drähte. die mit Kupfer stabilisiert und zu Leiterbändern verarbeitet sind. Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung ist jedoch ebensogut 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 Fig. I 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

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Obwohl das vorbeschriebene Verfahren gemäß der Erfindung insbesondere zlt Herstellung \on Doppcl pancake-Wicklungen geeignet ist, können beispielsweise auch Wicklungen mit mehr als zwei Lagen, beispielsweise mit drei Lagen, in entsprechender Weise hergestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. 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 (12) 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 wifder getrennt wird.

2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Schicht (10) ein Klebermaterial mit einer vorgegebenen Erweichungstemperatur verwendet wird, das sich während des Wickeins der Wicklungslagen (12, 19) im festen Zustand befindet.

3. Herstellungsverfahren nuch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickeltisch (2) mittels einer Heizvorrichtung (9) über die Erweichungstemperatur des Klebermaterials der Schicht (10) erwärmt wird.

4. Herstei.ungsverfahren nach einem der Anspräche 1 bis 3, dadurch ge'- jnnzeichnet, daß als Schicht (10) aus dem Khbermalerial eine Schmelzkleberfolie verwendet wird.

5. 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. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß zur Abkühlung ein kryogenes Medium, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, verwendet wird.

7. Herstellungsverfahren nach einem der An-Sprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (16) mittels eines aushärtbaren Klebermaterials mit den ihr benachbarten Wicklungslagen (12,19) verbunden wird.

8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als aushärtbares Klebermaterial ein Epoxidharz verwendet wird.

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. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Leiter für die Windungen (11, 18) der Wicklungslagen (12 bzw. 19) Supraleiter verwendet werden.