DE2753055B2

DE2753055B2 - Verfahren zum Aufbau einer supraleitenden Magnetwicklung

Info

Publication number: DE2753055B2
Application number: DE2753055A
Authority: DE
Inventors: Kurt 8520 Erlangen Beck; Helmut 8524 Neunkirchen Marsing
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-11-28
Filing date: 1977-11-28
Publication date: 1980-01-17
Also published as: FR2410345A1; DE2753055C3; US4255849A; GB2009513B; DE2753055A1; FR2410345B1; GB2009513A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbau einer supraleitenden Magnetwicklung, die mehrere übereinander angeordnete Wicklungslagen enthält, zwischen denen jeweils eine Kühlkanäle bildende Zwischenlage aus Isolationsmaterial eingefügt wird, und die zumindest an Teilen ihrer Mantelfläche mit einem aushärtbaren Material umgeben wird, das nach dem Aushärtungsprozeß auf eine vorbestimmte Paßform abgearbeitet wird.

Zum Erzeugen großvolumiger Magnetfelder können vorteilhaft Magnetwicklungen mit Supraleitern verwendet werden. Wenn die Supraleiter dieser Wicklungen mit Hilfe eines Kühlmittels, im allgemeinen mit Hilfe von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der sogenannten kritischen Temperatur des für Jie Wicklung 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 man mit ihnen stärkere Magnetfelder und somit auch stärkere Magnetfeldgradienten erhalten kann. Derartige 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 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.

Um sehr große Magnetfelder bzw. Magnetfeldgradienten mittels supraleitender Magnete zu erhalten, müssen die effektiven Stromdichten in ihren supraleitenden Leitern im allgemeinen sehr hoch gewählt werden. Es kann dann eine Belastung der Supraleiter bis in die Nähe dz· für sie kritischen Stromstärke erforderlich werden. Derartige Leiter müssen gegen mechanische Instabilitäten, die durch Leiterbewegungen hervorgerufen werden können, besonders gesichert sein. Hat nämlich ein Supraleiter innerhalb einer Magnetwicklung die Möglichkeit, sich unter einer äußeren Krafteinwirkung, beispielsweise aufgrund eines veränderlichen Magnetfeldes, zu bewegen, so kann er sich infolge der damit verbundenen Reibungswärme oder infolge der in Wärme umgewandelten kinetischen Energie so weit 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 Wicklungslagen einer supraleitenden Magnetwicklung in bekannter Weise mit einem Material imprägniert werden, das ausgehärtet wird und so die Wicklungslagen fest miteinander verbindet. Dabei muß jedoch gewährleistet sein, daß die

so Supraleiter der Wicklung ausreichend von einem kryogenen Medium gekühlt werden. Die hierfür ei forderlichen Kühlkanäle kann man beispielsweise dadurch erhalten, daß man beim Herstellen der Wicklung besondere Einlagen verwendet. Diese Einlagen entsprechen den Kühlkanälen in der Magnetwicklung; sie lassen sich nach Beendigung des Imprägnierprozesses, d. h. nach dem Aushärten des Imprägniermaterials, aus der Wicklung wieder entfernen (DE-OS 22 56 921).

Da ferner bei größeren supraleitenden Magnetwicklungen infolge der für sie vorgesehenen hohen Stromdichten auch entsprechend große, die Wicklung aufblähende Kräfte auftreten, müssen diese Wicklungen häufig an ihrem Außenumfang einer hohen mechanisehen Vorspannung ausgesetzt werden. Dies geschieht im allgemeinen mit Hilfe besonderer Bauelemente wie mit Keilen, Schrauben oder Tellerfedern, die zwischen einer Armierung und der äußeren Mantelfläche der

Wicklung eingepaßt werden. Mit diesen Maßnahmen werden unzulässige Bewegungen der Supraleiter und gegebenenfalls auch Bewegungen der gesamten Wicklungen innerhalb eines Wicklungsgehäuses, die ebenfalls zum Normalleitendwerden der Wicklung führen können, verhindert Eine entsprechende Fixierung einer Wicklung in einem WickUingsgehäuse ist beispielsweise aus der DE-OS 24 59 104 bekannt

Bei diesem Herstellungsverfahren wird zunächst die Magnetwicklung, die mehrere übereinander angeordnete Wicklungslagen enthält, zwischen denen jeweils eine Zwischenlage eingelegt ist, an ihrer äußeren, verhältnismäßig unregelmäßig geformten Mantelfläche mit einem aushärtbaren Material umgeben. Nach dem Aushärten wird dann das Material auf eine vorbestimmte Paßform abgearbeitet Anschließend werden die Zwischenlagen durch entsprechende Isolationslagen, die Hohlräume zwischen benachbarten Wicklungslagen zur Führung eines Kühlmittels enthalten, ersetzt und die einzelnen Teile der Wicklung miteinander verklebt Die so zusammengesetzte Wicklung kann dann in ein Gehäuse eingesetzt werden und an ihrer auf die vorfaestimmte Gestalt abgearbeiteten Außenfläche über entsprechende Zwischenkörper wie Keile vorgespannt werden. Dieses bekannte Verfahren zum Aufbau einer Wicklung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, dieses bekannte Verfahren zu vereinfachen und insbesondere das nachträgliche Ersetzen der Zwischenlagen durch die Kühlkanäle bildenden Isolationslagen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Wicklungslage einzeln vorgefertigt und ihre Mantelfläche mit einem leistenförmigen Anguß aus dem aushärtbaren Material versehen wird und daß nach dem Zusammenbau der gesamten Wicklung die Angüsse aller Wicklungslagen auf die vorbestimmte Paßform abgearbeitet werden.

Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß beim Aufbau der Wicklung von Anfang an die isolierenden Zwischenlagen mit Hohlräumen für Kühlkanäle verwendet werden könnea Dies ist möglich, weil jede einzelne Wicklungslage mit dem leistenförmigen Anguß versehen wird, und so ein Verstopfen von KUhlkanäien, das bei einem Umg-eßen der gesamten Wicklung mit dem aushärtbaren Material auftreten kann, von vornherein ausgeschlossen ist

Werden für die einzelnen Wicklungslagen jeweils zwei übereinanderliegende, an einer Trennfolie befestigte Leiterlagen vorgesehen, so kann gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung vorteilhaft eine über die äußere Mantelfläche der jeweiligen Wicklungslage hinausragende Trennfolie verwendet werden. Der überstehende Abschnitt dieser Folie wird dann mit dem Angußmaterial umgössen. Es läßt sich so ein Abbrechen des Angusses verhindern.

Das Verfahren gemäß der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten V/eiterbildungen werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schema tisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

In F i g. 1 ist in einem Querschnitt ein Teil einer vorgefertigten Wicklungslage 2 schematisch veranschaulicht. Eine nach der Erfindung aufgebaute supraleitende Magnetwicklung soll eine Vielzahl solcher Wicklungslagen enthalten. Zur Erhöhung der Wicklungsdichte einer solchen Magnetwicklung ist die Wicklungslage 2 vorteilhaft als Doppelwicklungslage, als sogenannte »Doppelpancake«-Wicklungslage ausgebildet. Solche Wicklungslagen bestehen im allgemeinen aus zwei etwa gleich großen, übereinanderliegenden Leiterlagen 3 und 4, die jeweils aus bandförmigen Supraleitern 5 gewickelt sind. Die gegenseitig isolierten Windungen der beiden Leiterlagen 3 und 4 sind dabei nur an einer zwischen den beiden Leiterlagen angeordneten, isolierenden Trennfolie 6 befestigt, beispielsweise mit dieser Folie verklebt Die Herstellung einer entsprechenden Doppelpancake-Wicklungslage ist beispielsweise aus der DE-OS 25 57 527 bekannt Die Trennfolie 6 zwischen den beiden Leiterlagen 3 und 4 besteht zweckmäßig aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial. Sie ragt vorteilhaft über den Außenmantel 7 der Wicklungslage 2 etwas hinaus. De.' überstehende Abschnitt dieser Folie 6 ist in der Figur mit 8 bezeichnet

Gemäß dem in Fig.2 schematisch dargestellten Querschnitt durch eine Wicklungslage wird anschließend der Außenmantel 7 jeder V·.cklungslage 2 mit einem Anguß 9 versehen. Die Anguss; bestehen aus einem aushärtbaren Gießharz, beispielsweise einem Epoxidharz mit einer Aluminiumoxidfüilung. B?i der Anfertigung dieser Angüsse dient eine einfache Hilfsvc.Tichtung zum Gießen und Aushärten des Harzes. Bei dieser Arbeit ist keine besondere Genauigkeit erforderlich. Der überstehende Teil 8 der Folie 6 ragt dabei in den jeweiligen Anguß 9 hinein und dient so zur Armierung und Halterung des Angusses. Dadurch wird die Verbindung des Angusses 9 am Umfang der Doppelpancake-Wicklungslage 2 erleichtert und das Abbrechen von dem Außenmantel 7 verhindert

Gemäß Fig. 3 kann nun eine Magnetwicklung aus einer Vielzahl solcher Wicklungslagen mit Angüssen zusammengesetzt werden. Im Querschnitt der Figur sind schematisch nur drei Wicklungslagen 2 teilweise ausgeführt. Benachbarte Wiuklungslagen sind dabei jeweils durch eine Zwischenlage aus Isolationsr.iaterial beabstandet. Als Zwischenlagen dienen vorteilhaft Kühlkanalscheiben 14 aus glasfaserverstärktem Kunststoifmaterial. In diesen Kühlkanalscheiben sind Aussparungen '5 vorgesehen, in denen ein für die Kühlung der Supraleiter 5 der Wicklungslagen 2 erforderliches kryogenes Medium entlanggeführt werden kann. Die Wicklungslagen 2 und die Kühlkanalscheiben 14 sind an Klebeflächen 16, die in der Figur durch verstärkte Linien angedeutet sind, miteinander verklebt In die zwischen den leistenförmigen Angüssen 9 von benachbarten Wicklungslagen 2 ausgebildeten, nutenartigen Zwischenräume 17 können ferner vorteilhaft von außen her einzelne, über den Umfang regelmäßig verteilte Abstandselemente eingefügt werden. Als Abstandselenen.Ä dienen Distanzstücke 18 aus Kunststoff mit einer der Dicke der Kühlkanalscheiben 14 entsprechenden Dicke. Sie sind vorteilhaft nur ein Stück weit in die nutenartigen Zwischenräume 17 eingeschoben und können mit den benachbarten Angüssen 9 dann verklebt werden. Auf diese Weise bilden die angegossenen Leinten einen steifen, sich gegenseitig abstützenden Verband. Wie in der Figur veranschaulicht ist, stellt dabei die äußere, mit 19 bezeichnete Mai.telflächa dieses Verbandes im allgemeinen keine glatte Zylindermantelfläche dar, sondern ist verhältnismäßig unregelmäßig geformt. Di"s ist jedoch ohne Bedeutung, weil anschließend die so zusammengesetzte und verklebte Wicklung vorteilhaft an ihrem Außenumfang auf eine vorgegebene Paßform abgearbeitet wird. Durch die Distanzstücke 18 zwischen den leistenförmigen Angüs-

sen 9 wird dabei das Abbrechen der Angüsse von den zugehörigen Mantelflächen verhindert. Eine entsprechende Paßfläche, auf die die Wicklung abgearbeitet werden soll, ist in der Figur durch eine gestrichelte Linie 20 angedeutet. Durch diese Bearbeitung können die für eine Stützarmatur erforderlichen genauen Gegenflächen ohne Schwierigkeiten hergestellt werden. Eine Gefahr einer Beeinträchtigung der zahlreichen aus der Wicklung nach außen herausführenden Kühlkanäle in den Kühlkanalscheiben 14 besteht dabei nicht. Über die Fläche 20 kann dann mittels entsprechender, in der Figur nicht dargestellter Bauelemente wie beispielsweise Keile die gesamte Wicklung vorgespannt werden.

Bei verhältnismäßig breiten Supraleitern 5, mit denen sich entsprechend große Angußflächen 7 am Außenmantel jeder Wicklungslage 2 L'rgeben. ist es gegebenenfalls auch möglich, auf die Distanzstücke 18 zwischen den einzelnen Angüssen 9 /.u verzichten.

In den F i g. 1 und 2 ist angenommen, daß die äußeren Angußflächen jeder Leiterlage 3 und 4 auf einer gemeinsamen Zylindermantelfläche 7 liegen. Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist dies jedoch nicht

' erforderlich. Vielmehr wird sich beim Wickeln der einzelnen Leiterlagen im allgemeinen eine unregelmäßige Gestalt der Angußflächen ergeben. Diese unregelmäßige Gestalt ist in Fig.3 näher veranschaulicht. Darüber hinaus ist in dieser Figur verdeutlicht, daß die

ι» mit 21 bis 23 bezeichneten Angußflächen jeder der dargestellten Wicklungslagcn 2 auch nicht annähernd auf einer gemeinsamen Zylindermantelfläche zu liegen brauchen. Die sich ergebenden Größenunterschiede zwischen den Wicklungslagen werden nämlich bei dem

i^r> Verfahren nach der Erfindung vorteilhaft durch entsprechend reichlich bemessene Angüsse 9 ausgeglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufbau einer supraleitenden Magnetwicklung, die mehrere übereinander angeordnete Wicklungslagen enthält, zwischen denen jeweils eine Kühlkanäle bildende Zwischenlage aus Isolationsmaterial eingefügt wird, und die zumindest an Teilen ihrer Mantelfläche mit einem aushärtbaren Material umgeben wird, das nach dem Aushärtungsprozeß auf eine vorbestimmte Paßform abgearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungslage (2) einzeln vorgefertigt und ihre Mantelfläche (7) mit einem leistenförmigen Anguß (9) aus dem aushärtbaren Material versehen wird und daß nach dem Zusammenbau der gesamten Wicklung die Angüsse (9) aller Wicklungslagen (2) auf die vorbestimmte Paßform (20) abgearbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abarbeiten der zusammengebauten Wicklung zwischen benachbarten Angüssen (9) einzelne Abstandselemente (18) mit einer Dicke eingefügt werden, die der Dicke der entsprechenden Zwischenlage (14) entspricht

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselimente (18) zwischen den Angüssen (9) eingeklebt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abarbeiten die Wicklungslagen (2) mit den zwischen ihnen angeordneter Zwischenlagen (14) verklebt werden.

5. Verfahren nach sinem .^J.er Ansprüche t bis 4 zum Aufbau einer supraleitenden Magnetwicklung mit Wicklungslagen, die jewei" aus zwei übereinanderliegenden, an einer Trennfolie befestigten Leiterlagen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennfolie (6) mit einem über die äußere Mantelfläche (7) der jeweiligen Wicklungslage (2) hinausragenden Abschnitt (8) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennfolie (6,8) aus glasfaserverstärktem Kunststoffmaterial verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Angüsse (9) ein aushärtbares Gießharz verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Epoxidharz mit einer Aluminiumoxidfüllung verwendet wird.