DE3138402C2 - Supraleitender Magnet und Vorrichtung zum Herstellen desselben - Google Patents

Abstract

Bei größeren supraleitenden Magneten mit magnetischen Induktionen im Teslabereich muß die Magnetwicklung mit Flüssighelium gekühlt werden. Das erfordert eine hohe Helium-Transparenz und metallisch blanke Supraleiter, deren Wärmeaustauschflächen jedoch durch die notwendige elektrische Isolation eingeschränkt werden. Der Kühleffekt wird bei dem vorgeschlagenen SL-Magneten dadurch optimiert, daß der blanke Supraleiter an einer Seitenfläche beim Wickeln der Spule mit einer selbstklebenden Isolierfolie belegt und dadurch ein Windungsschluß ausgeschlossen wird, und daß an der Innenseie der Stirnflansche des Wicklungsträgers eine Führungsscheibe mit radialen Abstandshalternuten aufgebracht ist. Diese Abstandshalternuten nehmen axiale Abstandshalter auf, die als Lagenisolation wirken und gleichzeitig axiale Kühlkanäle bilden. Diese münden in radiale Kühlkanäle, die jeweils zwischen zwei Abstandshalternuten in die Führungsscheiben eingelassen sind. Zum Herstellen dieses supraleitenden Magneten wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche die Fertigung vereinfacht und eine gleichbleibende hohe Wicklungsqualität ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand sichert.

Description

dadurch gekennzeichnet,

d) daß die Stirnflansche (2) alternierend zu den Kühlrinnen (47) radial gpnchtete Führungsnuten (46) für die Abstandshalter (48) aufweisen,

e) daß jeder über die 'ängf des rohrförmigen Wicklungsträgers (1) reichende Abstandshalter (48) an seiner. Enden mit einem in die Führungsnut (46) passenden Führungssteg (49) versehen ist,

f) daß die Tiefe der radialen Kühlrinnen (47) zur Peripherie der Stirnflansche (2) zunimmt und

g) daß die Isolierfolie (19) selbstklebend auf der der Nachbarwindung zugewandten Seite der Supraleiters (1.3) aufgebracht ist.

2. Vorrichtung zum Wickeln eines supraleitenden Magneten nach Anspruch 1, mit einem Support (11) mit von der Drehzahl des Wicklungsträgers (1) abhängigem axialen Vorschub (12), der Einrichtung zur Führung und Anpressung des Supraleiters (13) aufweist, wobei die Einrichtung zur Führung den Supraleiter (13) mit de^r Isolierfolie (19) versieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Führung einen mit in ihrer Höhe der Höhe des Supraleiters (13) entsprechenden rechteckigen Nut (37) versehenen Kunststoffbiock (36) enthält, daß die selbstklebende Folie (19) von der Höhe des Supraleiters (13) im Grund der Nut (37) läuft, daß der Kunststoffblock

(36) in Richtung der Nut (37) federnd gelagert ist, daß der Supraleiter (13) mit der Folie (19) in der Nut

(37) läuft und daß die Einrichtung zur Anpressung einen den aufzuwickelnden Supraleiter (13) an die benachbarte Windung der gleichen Lage anpressenden Kopf (45) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (45) aus einem Kunststoffblock besteht, der an einer dem Supraleiter (13) zugewandten Kante einen den Supraleiter (13) an seinen freien Flächen umschließenden rechtwinkligen Einschnitt aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (45) am freien Ende eines am Support (11) in einem Gelenk (23) gelagerten Hebels (22) angebracht ist und daß das Gelenk (23) eine Auslenkung des Kopfes (45) in axialer und radialer Richtung der Wicklung erlaubt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Federwaage (25) den Heoel (22) zum Einstellen eines vorbestimmten Anpreßdrucks beaufschlagt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (13) zum Kopf (45) in einem spitzen Winkel von 2° gegenüber der vorangehenden Windung zugeführt wird.

Die Euiiiuüiig uciriiit Cine i-iHGrunung

Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zum Herstellen dieser Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 2. Sie geht damit von dem aus »!EEE Transactions on Magnetics«, MAG-15 (1979), 840—842, bekannten Stand der Technik sus.

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 flüssigem Helium gekühlt werden. Das gelingt nur dann, wenn der konstruktive Aufbau der Magnetwicklung eine möglichst hohe Durchlässigkeit für das flüssige Helium ermöglicht. Der Kühleffekt des durch die Magnetwicklung strömenden Heliums kann dadurch optimiert werden, daß die von dem Helium benetzten Flächen des Supraleiters metallisch blank ausgeführt werden und daß dieser für den Wärmeübergang von de\»> Supra'eiter in das Kühlmittel maßgebende Flächenanteil möglichst groß gemacht wird.

Bei dem aus »IEEE Transactions on Magnetics«, MAG-15 (1979), 840—842, bekannten Magneten mündet nicht jeder der durch Abstandshalter zwischen den Lagen der Wicklung gebildeten axialen Kühlkanäle in einen der radialen Kühlkanäle der Stirnflansche, so daß die Zirkulation des Flüssigheliums und damit auch der angestrebte Kühleffekt sehr unterschiedlich ist. Außerdem vermindert die auf beiden Seiten des rechteckigen Leiters U-förmig aufgebrachte Isolierung die zur Kühlung zur Verfügung stehende Oberfläche des Leiters.

Es ist in diesem Zusammenhang bekannt (CH-PS 4 61 643), bei einem Magneten die innerhalb einer Lage angeordneten Supraleiter gegeneinander durch ein elektrisch isolierendes Band aus einem Isolierwerkstoff zu isolieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten supraleitenden Magneten hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Form seiner Kühlkanäle und der Größe der Wärmeaustauschfläche des Supraleiters zu verbessern. Ferner soll eine Vorrichtung zum vereinfachten Herstellen eines derartigen Magneten angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bei einem supraleitenden Magneten nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und bei einer Vorrichtung zum Herstellen dieser Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 2 durch die in den Kennzeichen dieser Ansprüche genannten Merkmalegelöst.

Die mit dem erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten und der Vorrichtung zum Herstellen derselben erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Abstandshalter durch Führungsnute ohne Anwendung von Klebern exakt positioniert werden und Kühlkanäle für einen optimalen Strömungsverlauf bilden, daß die Abstandshalter auch bei extremen Betriebsbedingungen in ihrer vorbestimmten Lage verbleiben, daß eine optimale Benetzung der gesamten Leiteroberfläche mit flüssigem Helium erreicht wird, daß der optimal gekühlte Flächenanteii der Supraieiteroberfläche 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 Wickeins kontinuierlich in axialer Richtung kompaktiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Herstellen eines supraleitenden Magneten mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 6 und eine mit dieser Vorrichtung hergestellte supraleitende Magnetspule mit den Merkmaien des Anspruches 1 ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematische Draufsicht der Vorrichtung,

F i g. 2 Vertikalschnitt der Drahtführung,

F i g. 3 Vertikalschnitt der Isolierpresse,

F i g. 4 Detail einer Führungsscheibe,

F i g. 5 Schnitt A-A gemäß F i g. 4,

F i g. 6 Schnitt B-B gemäß F i g. 4 und

F i g. 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 kreisförmigen 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 Dreibackenfutter 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 10 mit einer einstellbaren kleinen Wickelgeschwindigkeit w gedreht.

Ein Supporttisch 11 mit von der Drehzahl des Dreibackenfut'ers 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 aufzuwikkelnden Supraleiter 13 an die benachbarte Windung der gleichen Lage anpressender Leiteranpreßhebel 22 über ein horizontal und vertikal schwenkbares Gelenk 23 gngeschlossen.

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 /"auf den aufzuwickelnden Supraleiter 13 ausübt.

Der in F i g. 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 Kunststoffblock 36 mit einer seitlich angeordneten in ihrer Höhe der Höhe des Supraleiters 13 entsprechenden Nut 37 best >u 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.

Sen¹,--echt zu der Nut 37 sind in dem Kunststoffblock 36 zwei Langlöcher 38 zum Aufnehmen je eines mit dem Drahzuführungssupport 14 verschraubten Schraubenbolzen 39 angeordnet. Der Kunststoffblock 36 ist im Bereich der Langlöcher 38 frei beweglich und wird durch eine an einem Stehbolzen 40 angeschlossene Feder 41 gegen die Flanke des Supraleiters 13 gedrückt.

Der an einer Seitenfläche mit der Isolierfolie 19 beklebte Supraleiter 13 verläßt die isolierplatte 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 F i g. 4 dargestellt und weist an ihrer der Magnetspule 3 zugewandten Seite in vorbestimmten Abständen alternierend radial verlaufende Führungsnuten 46 und Kühlrinnen 47 auf.
Die Fig. 5 zeigt einen Schnitt A-A durch eine Führungsnut 46 der Führungsscheibe 4. die Fig. 6 einen Schnitt ß-Sdurch eine radiale Kühlrinne 47.

In die Führungsnut 46 der an den Innenseiten der Stin.flansche 2 des Wicklungsträgers 1 einander gegenüberstehenden Führungsscheiben 4 werden für jede Lage der Wicklung die in F i g. 7 dargestellten e iwa 0,5 mm dicken Abstandshalter 48 mit ihren an den Fnden 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 das flüssige Helium gebildet wird, dessen lichter Querschnitt an allen Stellen der Wicklung gleirh groß ist. Die axialen Kühlkanäle, welche von Abstandshaltern 48 einander benachbarter Führungsnuten 46 gebildet werden, münden in die gleiche radiale Kühlrinne 47, die zur Sicherung eines optimalen Kühlmitteltransportes einen mit zunehmendem

Radius wachsenden Querschnitt aufweist. Die Querschnittszunahme wird bei konstanter Breite der radialen Kühlrinne 47 durch zunehmende Tiefe derselben erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

IO

20

30

35

40

45

50

55

60

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Supraleitender Magnet zum Erzeugen einer magnetischen induktion im Teslabereich mit

a) einem rohrförmigen Wicklungsträger (1), der an seinen Enden Stirnflansche (2) aufweist, weiche an ihrer zum Wicklungsraum gerichteten Seite radiale Kühlrinnen (47) aufweisen,

b) einer aus einem einen Rechteckquerschnitt aufweisenden Supraleiter (13) in mehreren Lagen auf dem Wicklungsträger (1) gewickelten Magnetspule (3), die durch in mindestens teilweise von den Supraleitern (13) begrenzten Kühlkanälen zirkulierendes flüssiges Helium gekühlt wird und deren Windungen innerhalb einer Lage durch eine Isolierfolie (19) elektrisch gegeneinander isoliert sind, und

c) einer Vieizahi axiai zwischen den einzelnen Lagen angeordneter, länglicher, isolierender Abstandshalter (48), wobei jeweils zwei benachbarte Abstandshalter gemeinsam mit den angrenzenden Lagen einen axialen Kühlkanal begrenzen, der über die radialen Kühlrinnen (47) mii axialen Kühlkanälen anderer Lagen verbunden ist,