DE3138402A1

DE3138402A1 - Supraleitender magnet und vorrichtung zum herstellen desselben

Info

Publication number: DE3138402A1
Application number: DE19813138402
Authority: DE
Inventors: Norbert Brünner; Siegfried 7500 Karlsruhe Förster; Franz 7504 Weingarten Gauland; Peter Dipl.-Phys. Dr. 7514 Eggenstein Leopoldshafen Turowski
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1981-09-26
Filing date: 1981-09-26
Publication date: 1983-04-14
Also published as: DE3138402C2

Description

Supraleitender Magnet und Vorrichtung
zum Herstellen desselben Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zum Herstellen dieser Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 4.
Bei großen supraleitenden Magneten, deren magnetische Induktion in der Größenordnung von einigen Tesla liegt, und die z.B. in Teilchenbeschleunigern verwendet werden und eine Bohrung von etwa 40 cm aufweisen, muß die Magnetwicklung mit Flüssighelium (LHe) gekühlt werden.
Das gelingt nur dann, wenn der konstruktive Aufbau der Magnetwicklung eine möglichst hohe Transparenz für Flüssighelium ermöglicht. Der Kühleffekt des durch die Magnetwicklung strömenden Flüssigheliums kann dadurch optimiert werden, daß die von dem Flüssighelium benetzten Flächen des Supraleiters metallisch blank ausgeführt werden und daß dieser für den Wärmeübergang von dem Supraleiter in das Kühlmittel maßgebende Flächenanteil möglichst groß gemacht wird.
Zur Erfüllung dieser Erfordernisse bei großen supraleitenden Magneten mit heliumtranparenten Wicklungen ist es bekannt (Leupold et al, MT6,1977), den supraleitenden Magneten aus mehreren Pancake-Wicklungen, also spiralförmigen Scheibenwicklungen aufzubauen, deren blanke Supraleiter durch aufgeklebte kammförmige GFK- Stege (GFK = Glasfaser verstärkter Kunststoff) gegeneinander isoliert sind.
Dabei besteht die 5giieit einer Benetzung der freien metallischen Oberfläche des Supraleiters mit Klebstoff im Bereich--der GFK-Stege, wodurch die Kühlung eingeschränkt wird. Die GFK-Stege und der Supraleiter weisen zudem stark unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten auf, so daß es bei den notwendigerweise auftretenden Temperaturänderungen von ca. 2690C zum Ablösen von Klebverbindungen kommen kann und das Verschieben von GFK-Stegen ein ungleichmäßiges Kühlprofil bewirken kann.
Nachteilig ist auch bei Pancake-Spulen die Notwendigkeit zusätzlicher Kontaktstellen zwischen den Pancakes und damit höhere Verlustraten durch zusätzliche Übergangswiderstände. Die Kontaktierungen und die Spannelemente zum Verspannen der freien Leiterenden am Außendurchmesser der Spule führen zu einem höheren Raumbedarf mit Auswirkungen auf Feldstärke, Innenbohrung und Kosten.
Es ist auch bekannt (I.K. Ballow, MT7, Karlsruhe 1981), die Spule eines supraleitenden Magneten als Lagenwicklung auszuführen und den Supraleiter auf Abstand mit einem Isolationsband zu umwickeln, so daß sich zwischen den Windungen und den Lagen kommunizierende Hohlräume bilden.
Durch die schraubenlinienförmig aufgebrachten Abstandshalter wird aber der durch Flüssighelium gekühlte Flächenanteil des Supraleiters auf unter 50 % reduziert und der Kühlkanalverlauf ist nicht mehr definiert, so daß unterschiedliche Temperaturverteilungen möglich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte supraleitende Magnete dahingehend zu verbessern, daß der Anteil der metallisch blanken Oberfläche des Supraleiters, der mit Flüssighelium benetzt wird, möglichst groß ist, daß Kühlkanäle vorbestimmter Abmessungen gebildet-werden, und daß die Herstellung eines derartigen Magneten durch eine Vorrichtung vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem supraleitenden Magneten nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zum Herstellen dieser Anordnung nach dem Oberbe griff des Anspruches 4 und die in den Kennzeichen dieser Ansprüche genannten Merkmale gelöst.
Die mit dem vorgeschlagenen supraleitenden Magneten und der Vorrichtung zum Herstellen desselben erzielten Vorteile bestehen inbesondere darin, daß die Abstandshalter durch Führungsnute ohne Anwendung von Klebern exakt positioniert werden und Kühlkanäle für einen optimalen Strömungsverlauf bei Konvektionsströmung bilden, daß die Abstandshalter auch bei extremen Betriebsb-edingungen in ihrer vorbestimmten Lage verbleiben, daß eine optimale Benetzung der gesamten L-eiteroberfläche mit Flüssighelium erreicht wird, daß der optimal gekühlte Flächenanteil der Supraleiteroberfläche größer als 50 % ist, daß das Aufbringen der Isolierfolie auf die eine Seitenfläche des Supraleiters ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand während des Wickelvorganges erfolgt, und daß die Wicklungen der Spule während des Wickelns kontinuierlich in axialer Richtung kompaktiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Herstellen eines supraleitenden Magneten mit den Merkmalen der Ansprüche 4 bis 8 und eine mit dieser Vorrichtung hergestellte supraleitende Magnetspule mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 3 ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen Fig. 1 schematische Draufsicht der Vorrichtung, Fig. 2 Vertikalschnitt der Drahtführung, Fig. 3 Vertikalschnitt der Isolierpresse, Fig. 4 Detail einer Führungsscheibe, Fig. 5 Schnitt AA der Führungsscheibe Fig. 6 Schnitt BB der Führungsscheibe Fig. 7 Abstandshalter.
Die Draufsicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines supraleitenden Magneten ist in Fig. 1 vereinfacht dargestellt.
Der Wickelraum eines rohrförmigen Wicklungsträgers 1 ist in axialer Richtung durch Stirnflansche 2 begrenzt, deren der supraleitenden Magnetspule 3 zugewandte Innenseiten jeweils mit einer kreiförmigen Führungsscheibe 4 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff belegt ist.
Der Wicklungsträger 1 wird durch die in dessen Bohrung eingeführten Spannbacken 5 eines Dreibackenfutters 6 festgespannt. Auf den Stirnflansch 2 der von dem Dreibacken futter 6 abgewandten Stirnseite des Wicklungsträgers 1 ist eine Stützplatte 7 geschraubt, die eine zentrale Bohrung zum Aufnehmen der Spitze 8 eines Reitstockes aufweist. Das Dreibackenfutter 6 wird durch einen elektromotorischen Antrieb 9 um eine horizontale Achse lo mit einer einstellbaren kleinen Wickelgeschwindigkeit w gedreht.
Ein Supporttisch 11 mit von der Drehzahl des Dreibackenfutters 6 abhängigem axialen Vorschub 12, der auf die Breite des als Magnetspule 3 zu wickelnden Supraleiters 13 einstellbar ist, weist einen auf der Drahtzuführungsseite des Wickelträgers 1 angeordneten Drahtzuführungssupport 14 und einen auf der anderen Seite des Wicklungsträgers 1 angeordneten Drahtanpreßsupport 15 auf.
Der Drahtzuführungssupport 14 weist einen ersten Handantrieb 16, der Drahtanpreßsupport 15 einen zweiten Handantrieb 17 zum korrektiven Einstellen gleich oder gegensinnig zum Vorschub 12 auf.
Der Drahtzuführungssupport 14 trägt eine Vorratsspule 18 für eine selbstklebende Isolierfolie 19, eine Drahtführung 20 für den Supraleiter 13 und eine die Isolierfolie 19 mit dem Supraleiter 13 verbindende Isolierpresse 21.
An den Drahtanpreßsupport 15 ist ein den aufzuwickelnden Supraleiter 13 an die benachbarte Windung der gleichen Lage anpressender Leiteranpreßhebel 22 über ein horizontal und vertikal schwenkbares Gelenk 23 angeschlossen.
Das freie Ende 24 des Leiteranpreßhebels 22 ist mit einer Federwaage 25 verbunden, die wahlweise an einen ersten Kragarm 26 oder an einen zweiten Kragarm 27 anschließbar ist und einen vorbestimmten Anpreßdruck P auf den aufzuwickelnden Supraleiter 13 ausübt.
Der in Fig. 2 dargestellte Vertikalschnitt der Drahtzuführung 20 zeigt, daß diese im wesentlichen aus einem Kunststoffblock 30 besteht, der eine dem Querschnitt des Supraleiters 13 entsprechende Nut 31 und durchgehende Bohrungen 32 zum Herstellen einer Schraubverbindung mit dem Drahtzuführungssupport 14 aufweist.
Das Zusammenführen des Supraleiters 13 mit der selbstklebenden Isolierfolie 19 erfolgt in der Isolierpresse 21, deren Vertikalschnitt Fig. 3 zeigt und die im wesentlichen aus einem Kunststoffkörper 36 mit einer seitlich angeordneten in ihrer Höhe der Höhe des Supraleiters 13 entsprechenden Nut 37 besteht, die den Supraleiter 13 mindestens teilweise umschließt. Die Isolierfolie 19 wird von der Vorratsspule 18 über eine abgerundete Kante der Nut 37 zugeführt und auf eine Seitenfläche des Supraleiters 13 gepreßt.
Senkrecht zu der Nut 37 sind in dem Kunststoffkörper 36 zwei Langlöcher 38 zum Aufnehmen je eines mit dem Drahtzuführungs support 14 verschraubten Schraubenbolzen 39 angeordnet. Der Kunststoffkörper 36 ist im Bereich der Langlöcher 38 frei beweglich und wird durch eine an einem Stehbolzen angeschlossene Feder 41 gegen die Flanke des Supraleiters 13 gedrückt.
Der an einer Seitenfläche mit der Isolierfolie 19 beklebte Supraleiter 13 verläßt die Isolierpresse 21 und läuft unter einem spitzen Winkel von etwa 2° an den bereits gewickelten Teil der Magnetspule 3, um Isolationsschäden einander benachbarter Windungen der gleichen Lage auszuschließen.
Der Kopf 45 des Leiteranpreßhebels 22 besteht aus einem Textilkunststoffblock, der an einer dem Supraleiter 13 zugewandten Kante den Supraleiter an seinen zwei freien Flächen umschließt und mit der an der Federwaage eingestellten Kraft gegen die auf den Wicklungsträger 1 aufgebrachte Windung drückt.
Das Bruchstück einer kreisförmigen Führungsscheibe 4 ist in Fig. 4 dargestellt und weist an ihrer der Magnetspule 3 zugewandten Seite in vorbestimmten Abständen alternierend radial verlaufende Abstandshalternute 46 und Kühlkanäle 47 auf.
Die Fig. 5 zeigt einen Schnitt A - A.durch eine Abstandshalternut 46 der Führungsscheibe 4, die Fig. 6 einen Schnitt B - B durch einen radialen Kühlkanal 47.
In die Abstandshalternute 46 der an den Innenseiten der Stirnflansche 2 des Wicklungsträgers 1 einander gegenüberstehenden Führungsscheiben 4 wurden die in Fig. 7 dargestellten etwa 0,5 mm dicken Abstandshalter 48 mit ihren an den Enden angeordneten Führungsstegen 49 eingelegt.
Die Breite a der Abstandshalter 48 nimmt mit der Zahl der Lagen nach außen ständig zu und ist so bemessen, daß ein von zwei einander benachbarten Abstandshaltern 48 und von Supraleitern 3 benachbarter Lagen begrenzter axialer Kühlkanal für Flüssighelium gebildet wird, dessen lichter Querschnitt an allen Stellen der Wicklung gleich groß ist. Die axialen Kühlkanäle, welche von Abstandshaltern 48 einander benachbarter Abstandshalternuten 46 gebildet werden,münden in den gleichen radialen Kühlkanal 47, der zur Sicherung eines optimalen Kühlmitteltransportes einen mit zunehmendem Radius wachsenden Querschnitt aufweist. Die Querschnittszunahme wird bei konstanter Breite des radialen Kühlkanales 47 durch zunehmende Tiefe desselben erreicht. Bezugszeichenliste: Fig. 1 1 Wicklungsträger 2 Stirnflansche an 1 3 Magnetspule 4 Führungsscheibe an 2 5 Spannbacken von 6 6 Dreibackenfutter 7 Stutzplatte an 2 8 Spitze eines Reitstockes 9 elektromotorischer Antrieb von 6 lo Achse von 1 bis 9 51 Winkelgeschwindigkeit 11 Supporttisch 12 Vorschub von 11 13 Supraleiter 14 Drahtzuführungssupport 15 Drahtanpreßsupport 16 1. Handantrieb von 14 17 2. Handantrieb von 15 18 Vorratsspule 19 Isolierfolie 20 Drahtführung 21 Isolierpresse 22 Leiteranpreßhebel 23 Gelenk zwischen 22 u.
15 24 freies Ende von 22 25 Federwaage 26 l.Kragarm an 11 27 2.Kragarm an 11 P Anpreßdruck Fig. 2 30 Kunststoffblock 31 Nut in 30 Fig. 3 36 Kunststoffkörper 37 Nut in 36 38 Langlöcher 39 Schraubenbolzen 40 Stehbolzen 41 Feder 45 Kopf von 22 (s.Fig.l) Fig. 4, 5, 6, 7 46 Abstandshalternute in 4 47 radiale Kühlkanäle in 4 48 Abstandshalter 49 Führungsstege an 48 a Breite von 48 Leerseite

Claims

Patentansprüche: Supraleitender Magnet zum Erzeugen einer magnetischen Induktion im Teslabereich, dessen Magnetspulen (3) aus einem Rechteckquerschnitt aufweisenden Supraleiter (13) in mehreren Lagen gewickelt ist und mit Flüssighelium (LHe) gekühlt werden, das in mindestens teilweise von den Supraleitern (13) begrenzten Kühlkanälen zirkuliert, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, a) die Innenseite jedes der Stirnflansche (2) des rohrförmigen Wicklungsträgers (1) ist mit einer kreisringförmigen Führungsscheibe (4) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff belegt, b) jede Führungsscheibe (4) weist an ihrer der Magnetspule (3) zugewandten Seite in vorbestimmten Abständen alternierend radial angeordnete Abstandshalternute (46) und Kühlkanäle (47) auf, c) in jede der Abstandshalternute (46) jeder der Führungsscheiben (4) ist ein Abstandshalter (48) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff mit seinen an den Enden angeordneten Führungsstegen (49) so eingelegt, daß er parallel zur Achse (lo) der Magnetspule (3) liegt, d) jeweils zwei einander benachbarte Abstandshalter (48) begrenzen einen axialen Kühlkanal der über die im Bereich zwischen zwei Abstandshaltern (48) in den Führungsscheiben (4) angeordneten radialen Kühlkanäle (47) mit den axialen Kühlkanälen anderer Lagen verbunden ist, e) die Abstandshalter (48) isolieren die erste Lage der Magnetspule (3) elektrisch gegen den rohrförmigen Wicklungsträger (1), die zweite Lage gegen die erste Lage und jede weitere Lage gegen die vorhergehende Lage (Lagenisolation), f) eine selbstklebende Isolierfolie (19) isoliert die Windungen innerhalb einer Lage der Magnetspule (3) elektrisch gegeneinander (Windungsisolation).
2. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (48) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und die in eine Abstandshalternut (46) einer Führungsscheibe (4) einzuführenden Führungsstege (49) die Breite der Abstandshalternut (46) aufweisen.
3. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der radialen Kühlkanäle (47) der Führungsscheiben (4) zu deren Peripherie hin zunimmt.
4. Vorrichtung zum Herstellen eines supraleitenden Magneten nach Anspruch 1 mit Einrichtungen zum Einspannen und Drehen des Wicklungsträgers mit einer vorbestimmten Drehzahl und zum Zuführen des Supraleiters, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, a) die Spannvorrichtung weist eine horizontale Achse (lo) auf und besteht im wesentlichen aus einem Dreibackenfutter (6) mit in die Bohrung des Ecklungsträgers (1) einführbaren Spannbacken (5) und einer mit der von dem Dreibackenfutter (6) abgewandten Stirnseite des Wicklungsträgers (1) verschraubbaren Stútzplatte (7) mit einer zentralen Bohrung zum Aufnehmen der Spitze (8) eines Reitstockes, b) ein Supporttisch (11) mit auf die Breite des als Magnetspule (3) zu wickelnden Supraleiters (13) einstellbaren und von der Drehzahl des Dreibackenfutters (6) abhängigem axialen Vorschub (12) weist einen Drahtzuführungssupport (14) auf der Drahtzuführungsseite des Wicklungsträgers (1) und einen Drahtanpreßsupport (15) auf der anderen Seite des Wicklungsträgers (1) auf, c) der Drahtzuführungssupport (14) und der Drahtanpreßsupport (15) weisen einen ersten lIandantrieb (16) oder einen zweiten Handantrieb (17) zum korrektiven Einstellen auf, d) der Drahtzuführungssupport (14) trägt eine Vorratsspule (18) für die selbstklebende Isolierfolie (19), eine Drahtzuführung (20) für den Supraleiter (13) und eine die Isolierfolie (19) mit dem Supraleiter (13) verbindende Isolierpresse (21), e) an den Drahtanpreßsupport (15) ist ein den aufzuwickelnden Supraleiter (13) an die benachbarte Windung der gleichen Lage anpressender Leiteranpreßhebel (22.) über ein horizontal und vertikal schwenkbares Gelenk (23) angeschlossen, f) eine Federw^zaage (25) zum Einstellen eines vorbestimmten Anpreßdruckes (P) ist an das freie Ende (24) des Leiteranpreßhebels (22) an einen Kragarm (26, 27) des Supporttisches (11) angeschlossen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtführung (20) im wesentlichen aus einem Kunststoffblock (30) besteht, der eine dem Querschnitt des Supraleiters (13) entsprechende Nut (31) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierpresse (21) im wesentlichen aus einem Kunststoffkörper (36) mit einer seitlich angeordneten, in ihrer Höhe der Höhe des Supraleiters (13) entsprechenden Nut (37) besteht, der zwei einander parallel und senkrecht zu der Nut (37) angeordnete Langlöcher (38) zum Aufnehmen je eines mit dem Drahtzuführungssupport (14) verschraubten Schraubenbolzen (39) aufweist und daß der Kunststoffkörper (36 im Bereich der Langlöcher (38) frei beweglich ist und durch eine Feder (41) gegen die Isolierfolie (19) und eine Seitenfläche des Supraleiters (13) gedrückt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (45) des Leiteranpreßhebels (22) aus einem Kunststoffblock bestehtlder an einer dem Supraleiter (13) zugewandten Kante einen den Supraleiter (13) an seinen zwei freien Flächen umschliessenden rechtwinkligen Einschnitt aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (13) im Bereich zwischen Drahtführung (20) und Leiteranpreßhebel (22) mit der vorangehenden Windung einen spitzen Winkel von etwa 2 Grad bildet.