DE2753055C3 - Verfahren zum Aufbau einer supraleitenden Magnetwicklung - Google Patents
Verfahren zum Aufbau einer supraleitenden MagnetwicklungInfo
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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 Kühlmiticls, im allgemeinen mit Hilfe
von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der sogenannten kritischen Temperatur des für die
Wicklung verwendeten Supraleitermaterials abgekühlt werden, verschwindet praktisch der ohmsche Widerstand
des Supraleitermaterials. Infolge des entsprechend verringerten Energiebedarfs bieten deshalb
s 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. Berartige
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 effektive.-i Stromdichten in ihren supraleitenden
Leitern im allgemeinen sehr hoch gewählt werden. Es kann dann eine Belastung der Supraleiter bis
JO in die Nähe der 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
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
Supraleiter der Wicklung ausreichend von einem kryogenen Medium gekühlt werden. Die hierfür
erforderlichen 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 n?ch 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 mechanics sehen 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 kön- s nen, verhindert. Eine entsprechende Fixierung einer
Wicklung in einem Wicklungsgehäuse 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 is
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 vorbcitimmte 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 können. Dies ist möglich,
weil jede einzelne Wicklungslage mit dem leistenförmigen Anguß versehen wird, und so ein Verstopfen von
Kühlkanälen, das bei einem Umgießen 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 so Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung
vorteilhaft vine 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 Weiterbildungen
werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
In Fig. 1 ist in einem Querschnitt ein Teil einer
vorgefertigten Wicklungslage 2 schomalisch veranschaulicht. Eine nach der Erfindung aufgebaute supraleitende
Magnetwicklung soll eine Vielzahl solcher *5 Wicklungslagen enthalten. Zur Erhöhung der Wicklungsdichte
einer solche 1 Magnetwicklung ist die Wicklungslage 2 vorteilhaft als ßoppelwicklungslage,
als sogenannte »Doppelpancal.e«-Wicklungslage ausgebildet.
Solche Wicklungslagf.n bestehen im sllgemel·
nen aus zwei etwa gleich großen, übereinanderliegenden Letterlagen 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. Der 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 Wick'nngslage 2 mit
einem Anguß 9 versehen. Die Angüsse bestehen aus einem aushärtbaren Gießharz, beispielsweise einem
Epoxidharz mit einer Aluminiumoxidfüllung. Bei der Anfertigung dieser Angüsse dient eine einfache
Hilfsvorrichtung 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 Wicklungslagen sind dabei
jeweils durch eine Zwischenlage aus Isolationsmatsrial beabstandet Als Zwischenlagen dienen vorteilhaft
Kühlkanalscheiben 14 aus glasfaserverstärktem KunststoffRaterial.
In diesen Kühlkanalscheiben sind Aussparungen 15 vorgesehen, in denen ein für die Kühlung der
Supraleiter 5 der Wicklungslagen 2 erforderliches kryogenes Medium entlanggeführt werden kann. Die
Wicklungslagen 2 und die KühlkanalschciLen 14 siiid 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
Abstandsclemente eingefügt werden. Als Abstandselemente d'enen Distanzstücke 18 aus Kunststoff mit einer
der Dicke der Kühlkanalscheiben 14 entsprechenden Dicke. Sie sind vorteilhaft nur ein Stück vieh in die
nutenartigen Zwischenräume 17 eingeschoben und können mit den benachbarten Angüssen 9 dann verklebt
werden. Auf diese Weise bilden die angegossenen Leisten einen steif .n, sich gegenseitig abstützenden
Verband. Wie in der Figur veranschaulicht ist, stellt dabei die äußere, mit 19 bezeichnete Mantelfläche
dieses Verbandes im allgemeinen keine glat'ce Zylindermantelfläche
dar, sondern ist verhältnismäßig unregelmäßig geformt. Dies ist jedoch ohne Bedeutung, weil
anschließend die so ^sammsngesetzte und verklebte
Wicklung vorteilhaft an ihrem Außenumfang auf eine vorgegebene Paßform abgearbeitet wird. Durch die
Distanzstücke 18 zwischen den leistenförmigen Angus-
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 Flache 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 Außenmanlcl
jeder Wicklungslage 2 ergeben, ist es gegebein den F i g. I und 2 ist angenommen, daß die äußeret
Angußflächen jeder Leiterlage 3 und 4 auf eine gemeinsamen Zylindermantelfläche 7 liegen. Bei den
Verfahren nach der Erfindung ist dies jedoch nich
■> erforderlich. Vielmehr wird sich beim Wickeln de
einzelnen Leiterlagen im allgemeinen eine unregelmäßi ge Gestall der Angußflächen ergeben. Diese unregelmä
ßige Gestalt ist in Fig.3 näher veranschaulicht Darüber hinaus ist in dieser Figur verdeutlicht, daß dii
ίο mit 21 bis 23 bezeichneten Angußflächen jeder de
dargestellten Wicklungslagen 2 auch nicht annähcrm auf einer gemeinsamen Zylindermantelfläche zu lieger
brauchen. Die sich ergebenden Größenunterschied zwischen den Wicklungslagen werden nämlich bei den
Verfahren nach der Erfindung vorteilhaft durcl entsprechend reichlich bemessene Angüsse 9 ausgegli
chen.
Claims (1)
- Patentansprüche:t. 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 Faßform abgearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklur.gslage (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.Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab 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) entspricht3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (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 einem der Ansprüche I bis 4 zum Aufbau einer supraleitenden Magnetwicklung mit Wicklungslagen, die jeweils 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 I 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.
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