DE2709300C3 - Supraleitende Magnetspule mit Imprägniereinrichtung - Google Patents
Supraleitende Magnetspule mit ImprägniereinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Magnetspule mit Imprägniereinrichtung, bestehend aus
einer supraleitenden Magnetwicklung, die auf einem Wicklungsträger mit hohlzylinderförmigem Mittelteil
und ringscheibenförmigen Endflanschen nach außen abgedichtet angeordnet ist, wobei zur Zu* und Abfuhr
des Imprägniermittels an jeder Stirnseite der Magnetspule ein Anschlußstutzen vorgesehen ist, der über
einen ringscheibenförmigen, in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene angeordneten Sammelkanal und
kurze axiale Kanäle mit der betreffenden Stirnfläche der Magnetwicklung verbunden ist. Eine solche Magnetspule
mit Imprägniereinrichtung ist aus dem DEtGM 33 199 bekannt
Zur Erzeugung starker Magnetfelder können vorteilhaft Magnetwicklungen mit Leitern aus supraleitendem
Material verwendet werden. Diese Leiter werden 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, bei der der ohmsche Widerstand des Supraieitermaterials
verschwindet Infolge des entsprechend verringerten Energiebedarfs bieten deshalb Supraleitungsmagnete
gegenüber konventionellen Magneten mit Wicklungen aus elektrisch normalleitendem Material wie beispielsweise
Kupfer den Vorteil, daß man mit ihnen stärkere Magnetfelder und somit auch stärkere Magnetfeldgradienten
erzeugen kann.
Um sehr große Magnetfelder bzw. Magnetfeldgradienten zu erhalten, müssen die effektiven Stromdichten
in den supraleitenden Leitern dieser Magnete im allgemeinen entsprechend hoch gewählt werüen. Es
kann dann eine Belastung der Supraleiter bis in die Nähe der für sie kritischen Stromstärke erforderlich werden.
Derartige Leiter müssen gegen mechanische Instabilitäten, die beispielsweise in Leiterbewegungen bestehen,
besonders gesichert sein. Besitzt nämlich ein supraleitender Leiter innerhalb einer Magnetwicklung die
is Möglichkeit, sich unter einer äußeren Krafteinwirkung,
beispielsweise aufgrund von Lorentz-Kräften zu bewegen, so kann er sich infolge der damit verbundenen
Reibungswärme oder infolge der in Wärme umgewandelten kinetischen Energie soweit erwärmen, daß seine
kritische Temperatur überschritten wird und er zumindest an der Stelle der mechanischen Instabilität
normalleitend wird.
Um derartige Instabilitäten mechanischer Art und die mit ihnen verbundenen Leitererwärmungen zu verhindem,
können die einzelnen Leiter einer supraleitenden Magnetwicklung in bekannter Weise unier Vakuum mit
einem Material imprägniert werden, das anschließend aushärtet und somit die Leiter in ihrer Lage fixiert Eine
solche Vakuumimprägnierung ist insbesondere bei Magnetwicklungen aus dünnen, sehr spröden oder
bruchanfälligen Leitern wie beispielsweise NbjSn- oder
VjGa-Leitern von nach dem Wickeln geglühten Supraleitungsmagneten zweckmäßig. Derartige Supraleitungsmagnete
werden zunächst aus Leitern gewikkelt, die aus den einzelnen, noch nicht miteinander
reagierten Komponenten der zu bildenden supraleitenden Verbindung bestehen. Die aus diesen Verbundleitern
erstellten Magnetwicklungen werden dann anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei
dann erst durch Diffusion der beiden. Komponenten des Verbundleiters die supraleitende Verbindung entsteht
Mit dieser Herstellungstechnik können unzulässige Dehnungen spröder Supraleiter beim Wickeln der
Magnetwicklungen vermieden werden.
Für eine Vakuumimprägnierung werden im allgemeinen zwei Verfahren angewendet Gemäß dem aus der
DE-OS 22 56 921 bekannten Verfahren sind zusätzliche Formen, die auch als Kokillen bezeichnet werden,
erforderlich, in denen die Magnete mit dem Imprägniermittel überflutet werden. Bei diesem Verfahren ist die
Ausbildung mehr oder weniger dicker Imprägniermittdschichten an den Stirnseiten und an den Mantelflächen
der Magnetwicklung unvermeidbar. Neben einer Verschlechterung der Kühlung der supraleitenden
Magnetwicklung üben vor allem dicke, beim Abkühlen stark kontrahierende Imprägniermittelschichten auf
einzelne Letter, beispielsweise bei den Zuleitungen zu den erforderlichen Kontakten, Kräfte aus, die zum
Bruch einzelner Filamente oder des gesamten Leiters führen können. Eine nachträgliche Beseitigung dieser
Überschußschichten ist zeitaufwendig und darüber hinaus immer mit der Gefahr einer Leiterbeschädigung
verbunden. Außerdem ist bei dem bekannten Verfahren eine Änderung der Magnetabmessungen verhältnismä-Qig
aufwendig, da stets neue Kokillen angefertigt werden müssen.
Bei einem weiteren, aus dem DE-GM 75 33 199 bekannten Verfahren zur Vakuumimprägnierung der
Leiter einer supraleitenden Magnetwicklung kann auf solche Kokillen verzichtet werden. Für dieses Verfahren
ist eine besondere Imprägniereinrichtung mit einem Wicklungsträger erforderlich, auf dem die zu erstellende
supraleitende Magnetwicklung aufgewickelt wird. Dieser hohlzylindrische Wicklungsträger ist an seinen
Stirnseiten jeweils mit einem ringscheibenförmigen Endflansch verbunden. Jeder Endflansch enthält axiale
Bohrungen, Ober die der eigentliche Wicklungsraum jeweils an einen außenliegenden, ringförmigen Sammelkanal
angeschlossen ist Jeder Sammelkanal ist durch eine entsprechende Vertiefung in einer zusätzlich zum
Wicklungsträger erforderlichen Abdeckplatte ausgebildet, die an der Stirnfläche des jeweiligen Endflansches
vakuumdicht anliegt. Nachdem die Leiter der Wicklung auf diesem Wicklungsträger aufgebracht sind und dieses
Wickelpaket dann mit einem für das Imprägniermittel dichten Außenmantel versehen ist, kann über einen
entsprechenden Anschlußstutzen ein Imprägniermittel in den einen Sammelkanal eingeleitet und von dort in
die zwischen den einzelnen Leitern der Magnetwicklung vorhandenen Zwischenräume über die axialen Bohrungen
des Endflansches eingespeist werden. An der gegenüberliegenden Seite wird dann das Imprägniermittel
in entsprechender Weise über axiale Bohrungen und den mit ihnen verbundenen Sammelkanal sowie
einen entsprechenden Anschlußstutzen durch eine Abdeckplatte wieder abgeführt Auch bei diesem
bekannten Verfahren ist die Ausbildung einer Imprägniennittelschicht
an den Flanschen nicht vermeidbar. Diese Oberschußschichten müssen nachträglich wieder
beseitigt werden. Während sich mit dem Verfahren, bei dem Kokillen verwendet werden, auch kontaktierte
Magnetspulen imprägnieren lassen, ist dies mit der bekannten Imprägniereinrichtung einer supraleitenden
Magnetspule nicht möglich. Die erforderlichen Abdeckplatten auf den Flanschen des Wicklungsträgers lassen
nämlich keinen Platz mehr für Kontakte. Eine Kontaktierung ist also erst nach Beendigung der
Imprägnierung und nach Abnahme der Abdeckplatten möglich. Damit scheidet aber eine Verwendung der
bekannten Imprägniereinrichtung für nach dem Wikkeln geglühte supraleitende Msgnetwicklungen, beispielsweise
aus Nb3Sn- oder V3Ga-Leitern, aus, weil bei
diesen Wicklungen die Kontaktzuleitungen wegen der verhältnismäßig kleinen Biegeradien im allgemeinen
bereits vor einer Diffusionsglühung vorgeformt und verlegt werden müssen und aufgrund der Biegeempfindlichkeit
dieser Leitermaterialien nachträglich nicht mehr verändert werden können. Darüber hinaus ist bei
Verwendung der bekannten Imprägniereinrichtung auch der Aufwand zur Änderung der Abmessungen der
Magnetwicklungen verhältnismäßig hoch, da stets neue Abdeckplatten erforderlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die aus dem genannten DE-GM bekannte supraleitende Magnetspule
mit Imprägniereinrichtung so zu verbessern, daß die erläuterten Schwierigkeiten nicht oder nur in unwesentlichem
Umfange auftreten. Insbesondere soll ihre Imprägniereinriehtung auch für eine Imprägnierung von
Magnetwicklungen aus dünnen, spröden und bruchanfälligen Leitern wie beispielsweise Nb3Sn- oder
V3Ga-Leitern von nach dem Wickeln geglühten Supraleitungsmagneten, die zudem noch fertig kontaktiert
sein und unterschiedliche Größe haben können, geeignet sein, ohne daß aufwendige Hilfsmittel wie
Kokillen oder abgedichtete Abdeckplatten erforderlich sind. Darüber hinaus sollen dicke Imprägniermittelschichten
an den Oberflächen der Magnetwicklung vermieden werden, so daß nur eine verhältnismäßig
geringe Nachbearbeitung der imprägnierten Magnetwicklung erforderlich ist
Diese Aufgabe wird für eine supraleitende Magnetspule mit Imprägniereinrichtung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß zwischen jeder Stirnfläche der Magnetwicklung und der Innenfläche
des zugeordneten Endflansches ein flacher,
ic ringscheibenförmiger Hohlraum ausgebildet ist in dem
eine mit axialen Kanälen versehene Scheibe angeordnet ist und dessen zwischen der Scheibe und der Innenfläche
des Endflansches verbleibender Hohlraum jeweils den ringscheibenförmigen Sammelkanal bildet
Diese Ausbildung der Magnetspule hat insbesondere den Vorteil, daß der Fertigungsaufwand zur Imprägnierung
ihrer Magnetwicklung verhältnismäßig gering ist So erfordert beispielsweise bei einem vorgefertigten
Wicklungsträger die Ausbildung der Sammelkanäle, die sich an die vorgesehenen Wkki-aigsdiniensionen
anpassen lassen, keine zusätzlichen Arbeitsgänge. Die bei den bekannten Imprägniereinrichtungen auftretenden
Schwierigkeiten mit dicken Imprägniermittelschichten entfallen, da das Imprägniermittel praktisch
nur die Hohlräume ausfüllen kann, die in dem Raum vorhanden sind, der von dem Wicklungsträger und dem
Außenumfang der Magnetwicklung begrenzt wird. Da keine Zusatzeinrichtungen wie beispielsweise Abdeckplatten
an den Flanschoberseiten erforderlich sind, lassen sich auch fertig kontaktierte Magnetwicklungen,
insbesondere also auch nach dem Wickeln geglühte NbäSn-Magnetwicklungen, imprägnieren. Die Nachbearbeitung
der imprägnierten Magnetwicklung ist im wesentlichen auf die Entfernung der erforderlichen
Anschlußstutzen zur Zu- bzw. Abführung des Imprägniermittels beschränkt
Als Scheiben mit axialen Kanälen können vorteilhaft Lochbleche vorgesehen sein. Geeignete Lochblech»? aus
verschiedenen unmagnetischen Materialien wie beispielsweise VA-Stahl sind handelsüblich und können
leicht zu den erforderlichen Scheiben bearbeitet werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur schematisch ein Querschnitt durch eine supraleitende
Magnetspule mit Imprägniereinriehtung gemäß der Erfindung veranschaulicht ist
Die Imprägniereinriehtung enthält einen Wicklungsso träger 2. mit einem zu. einer Achse 3 rotationssymmetrischen
Mittelteil 4. Das rohrförmige Mittelteil ist an seinen beiden Stirnseiten jeweils mit einem ringscheibenför.nigen
Endflansch 5 bzw. 6 verbunden. Das Mittelteil 4 und die Endflansche 5 und 6 können auch als
ein einziges Formstück ausgebildet, beispielsweise aus einem Stück gedreht sein. Auf dem aus den Teilen 4 bis 6
gebildeten Wicklungsträger 2. ist ein Wickelpaket 7 einer Magnetwicklung S_ aufgebracht Es kann sich dabei
beispielsweise um ein Wickelpaket aus nach dem
so Wickeln geglühten NbjSn-Leitern handeln= Das Wiekelpaket
7 ist an seinen beiden Stirnseiten durch eine Schicht 9 abgeschlossen. Diese Schicht, die hauptsächlich
zur Isolation der Wicklung gegenüber anliegenden metallischen Teilen dient, besteht beispielsweise aus
einzelnen Textil- oder Glasgewebestreifen und ist für ein Imprägniermittel durchlässig. Die Schicht 9 kann
gegebenenfalls auch weggelassen werden. Das Wickelpaket 7 ist darüber hinaus an seinem Außenumfang von
einem Spulenmantel, beispielsweise einer Bandage 10, dicht umschlossen. Wie in der Figur angedeutet ist, kann
die Bandage 10 nicht nur das Wickelpaket 7, sondern auch noch die Enüiiansche 5 unu ό umschließen.
Zwischen der aus dem Wickelpaket 7, der Schicht 9 und der Bandage 10 bestehenden Magnetwicklung 8 und
den Endflanschen 5 und 6 befindet sich jeweils ein flacher, ringscheibenförmiger Hohlraum 12 bzw. 13,
dessen Größe durch die vorgegebenen Abmessungen der Magnetwicklung S und des Wicklungsträgers 2_
festgelegt ist. In jedem dieser Hohlräume ist eine Scheibe 14 mit axialen Bohrungen 15, beispielsweise ein
Lochblech, in einer radialen Ebene angeordnet. Dieses Lochblech besteht zweckmäßig aus einem unmagnetischen
Material wie speziellen Stählen oder Kunststoff. Da seine axiale Dicke kleiner als die axiale Ausdehnung
der Hohlräume 12 bzw. 13 ist und die Lochbleche
begrenzenden Schichten 9 anliegen, entsteht zwischen ihnen und den Endflanschen 5 und 6 jeweils ein flacher,
ringscheibenförmiger Sammelkanal. Der dem unteren Endflansch 5 des Wicklungsträgers 2_ zugeordnete
Sammelkanal ist in der Figur mit 16 und der dem oberen Endflansch 6 zugeordnete Sammelkanal mit 17 bezeichnet.
Die Lochbleche 14 können zweckmäßig auf ihren den Sammelkanälen 16 bzw. 17 zugewandten Seiten mit
Stütznippeln 19 versehen sein, über die sie an den Endflanschen 5 bzw. 6 anliegen. Es läßt sich so ein
Bewegen der Lochbleche 14 in den Sammelkanälen 16 und 17 und insbesondere eine Deformation der im
allgemeinen relativ dünnen Bleche durch den Wickeldruck des Wickelpaketes 7 verhindern.
Sobald die zu imprägnierende Magnetwicklung in bekannter Weise, beispielsweise durch Bandagieren,
vakuumfest abgedichtet und auf Dichtheit geprüft ist, kann sie nun im Vakuum mit einem flüssigen
Imprägniermittel, beispielsweise einem aushärtbaren Kunstharz, imprägniert werden. Hierzu wird, wie in der
Figur durch einen Pfeil 20 angedeutet ist, durch eine Bohrung 21 in dem unteren Endflansch 5 das
Imprägniermittel zunächst in den unteren Sammelkanal 16 eingeleitet. Es strömt dann durch die axialen
Bohrungen 15 des anliegenden Lochbleches 14 und zwischen den Streifen der Schicht 9 ir. die zwischen den
Leitern des Wickelpaketes 7 vorhandenen Hohlräume. In entsprechender Weise gelangt dann das Imprägniermittel
am oberen Teil des Wickelpaketes über die zwischen den Streifen der Schicht 9 ausgebildeten
Spalte und die axialen Bohrungen 15 des oberen Lochbleches 14 in den oberen .Sammelkanal 17 und wird
von dort aus, wie durch einen Pfeil 22 angedeutet ist, über eine Auslaufbohrung 23 in dem oberen Endflansch
6 nach außen wieder abgeführt.
Im Gegensatz zu den bekannten Imprägniereinrichtungen supraleitender Magnetspulen erfolgt somit bei
der Magnetspule nach der Erfindung die Imprägniermitteleinleitung nicht über besondere Zusatzeinrichtungen
brklnUpn dip auRpn an rlpn Flansrhen
angebracht werden müssen, sondern über direkt in die Spulenflansche integrierte Zu- und Ableitungssysteme.
Zum Ein- oder Ableiten des Imprägniermittels sind für die erforderlichen Zuführungs- bzw. Abführungsleitungen
an den Bohrungen 21 und 23 in den Endflanschen
5 bzw. 6 Anschlußstutzen bzw. Tüllen angeschlossen, beispielsweise angeschraubt. In der Figur ist lediglich
eine Auslauftülle 25 der Abführungsleitung für das Imprägriermittel angedeutet. Nachdem die in der
Magnetwicklung vorhandenen Hohlräume mit dem Imprägniermittel ausgefüllt sind und nach einem
Aushärten des Imprägniermittels brauchen dann lediglich diese Zu- und Abführungsleitungen für das
Imprägniermittel wieder entfernt zu werden. Eine weitere Nachbearbeitung der Magnetwicklung ist nicht
erforderlich.
6 angeordnete Kontaktplatte 26 angedeutet, an der Kontaktelemente zwischen den Leitern der Magnetwicklung
JS und den erforderlichen Stromzu- und -abführungsleitern befestigt werden können. In der
Figur ist ein Kontaktelement 27 auf der Kontaktplatte 26 näher veranschaulicht
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Supraleitende Magnetspule mit Imprägniereinrichtung, bestehend aus einer supraleitenden Magnetwicklung
(7, 8), die auf einem Wicklungsträger (2) mit hohlzylinderförmigem Mittelteil (4) und
ringscheibenförmigen Endflanschen (5, 6) nach außen abgedichtet angeordnet ist, wobei zur Zu- und
Abfuhr des Imprägniermittels an jeder Stirnseite der Magnetspule ein Anschlu3stutzen vorgesehen ist,
der über einen ringscheibenförmigen, in einer zur Zylinderachse (3) senkrechten Ebene angeordneten
Sammelkanal und kurze axiale Kanäle mit der betreffenden Stirnfläche der Magnetwicklung verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Stirnfläche der Magnetwicklung (8)
und der Innenfläche des zugeordneten Endflansches (5, 6) ein flacher, ringscheibenförmiger Hohlraum
(12, 13) ausgebildet ist, in dem eine mit axialen Kanälen (15) versehene Scheibe (14) angeordnet ist
und dessen zwischen der Scheibe (14) und der Innenfläche des Endflansches (5, 6) verbleibender
Hohlraum jeweils den ringscheibenförmigen Sammelkanal (16,17) bildet.
2. Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Scheiben (14) mit axialen
Kanälen (15) Lochbleche vorgesehen sind.
3. Magnetspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (14) über Stütznippel
(19) an dem jeweiligen Endflansch (5,6) anliegen.
4. Magnetspule nact einem S&r Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichne4, daß ein Wickelpaket (7) der Magnetwicklung (8) an den ctirnseiten von einer
für das Imprägniermittel durchlässigen Schicht (9) abgeschlossen ist
5. Magnetspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schichten (9) jeweils
eine Scheibe (14) direkt anliegt.
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