DE3533621A1 - Verfahren zur herstellung der gekruemmten, scheibenfoermigen wicklung eines magneten und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung der gekrümmten, scheibenförmigen Wicklung eines Magneten, insbesondere für eine Anlage zur Beschleunigung und/oder Speicherung elektrisch ge­ ladener Teilchen wie Elektronen, wobei die Leiter der zu erstellenden Wicklung um einen eine konvex geformte Außenseite und eine konkav geformte Innenseite auf­ weisenden, zentralen Kernbereich mit somit teilweise negativer Krümmung angeordnet und anschließend in dieser Lage fixiert werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Eine entsprechende Magnetwicklung, die aus der Ver­ öffentlichung "Fuji Electric Review", Vol. 19, No. 3, 1973, Seiten 112 bis 118 bekannt ist, soll als Teil eines Hubmagneten zur berührungsfreien Schwebefüh­ rung eines Fahrzeugs längs einer Fahrbahn dienen. Die Wicklung ist aus Supraleitern erstellt und längs einer Kreisbogenlänge mit vorbestimmtem Radius und vorbe­ stimmtem Bogen-(Zentri-)Winkel gekrümmt, so daß sie eine konvex geformte Außenseite und eine konkav ge­ formte Innenseite aufweist. Diese Längsseiten der Wick­ lung sind durch zwischen ihnen angebrachte Verstre­ bungen oder Verspannungen in ihrer geometrischen Lage fixiert.

Auch in Teilchenbeschleuniger-Anlagen müssen z. B. Spei­ cherringe für geladene Teilchen wie Elektronen auf­ grund ihrer gekrümmten Teilchenbahnen entsprechend ge­ krümmte Dipolmagneten aufweisen. Ihre Magnetwicklungen können dabei insbesondere halbkreisförmig gebogen sein (vgl. z. B. "IEEE Trans. on Nucl. Sci.", Vol. NS-30, No. 4, August 1983, Seiten 2531 bis 2533). Wegen der er­ forderlichen hohen Feldstärken werden hierfür bevor­ zugt supraleitende Wicklungen vorgesehen (vgl. z. B. auch "Technical Report of ISSP" - The Institute for Solid State Physics - The University of Tokyo, Japan - Ser.B., No. 21, Sept. 1984, Seiten 1 bis 29). Um eine unveränderte Lage der aus entsprechenden Leitern zu er­ stellenden Windungen dieser Wicklungen zu garantieren, müssen diese zunächst um einen entsprechend geformten Wickelkern gewickelt und an diesem befestigt werden. Dabei stellt sich jedoch das Problem des Wickelns mit negativen Krümmungsradius im Bereich der konkaven Innenseiten solcher Wickelkerne.

Magnetwicklungen mit negativen Krümmungen können bei­ spielsweise durch zugfreies Legen des mindestens eines Leiters in Nuten und anschließendes Verkeilen herge­ stellt werden. Auch ist ein sukzessives Anklemmen des Leiters unter Verwendung besonderer Anpreßelemente wie z. B. einzelner, am Außenrand eines entsprechend geformten Wickelkerns ortsfest anzubringender Klemmen bekannt. Die mit diesen Elementen jeweils angeklemmten Leiterteile müssen dann Stück für Stück an dem Wickelkern bzw. an gegebenenfalls auf diesen schon aufgebrachten Leiterwindungen fixiert, beispielsweise angeklebt werden. Derartige Wickeltechniken sind jedoch insbesondere zur Herstellung supraleitender Dipolmagne­ ten von Speicherringen sehr aufwendig und zeitraubend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine großtechnische Herstellung von gekrümmten, scheibenförmigen Magnet­ wicklungen auf verhältnismäßig einfache Weise ermög­ licht wird, wobei insbesondere supraleitende Leiter vorgesehen werden sollen.

Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst die Lei­ ter um einen provisorischen, kreisförmigen Wickelkör­ per vorbestimmten Umfangs zu einer provisorischen, ringscheibenförmigen Wicklung unter Zug gewickelt werden und daß nach Entfernen des provisorischen Wickelkörpers die dann freiliegenden Leiterteile der provisorischen Wicklung, welche den Bereich der kon­ kaven Innenseite der zu erstellenden gekrümmten Wick­ lung bilden sollen, an die konvexe Außenseite eines Formkörpers, dessen Krümmung an die Krümmung der konkaven Innenseite der zu erstellenden gekrümmten Wicklung angepaßt ist, angepreßt werden, wobei die übrigen Leiterteile der provisorischen Wicklung bis an den zentralen Kernbereich mit herangezogen werden.

Die mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß der provisorische Wickelkörper nur einen positiven Krüm­ mungsradius aufweist, so daß um diesen die einzelnen Leiter unter Zug ohne Schwierigkeiten gewickelt werden können. Die konkave Innenseite der zu erstellenden Wicklung wird dann dadurch erhalten, daß man nach Ent­ fernen des Wickelkörpers oder nach Abnahme der provi­ sorischen Wicklung von diesem Wickelkörper die ent­ sprechende Längsseite der gekrümmten Wicklung aus­ bildet, indem man die entsprechenden freiliegenden Leiterteile auf die konkave Außenseite eines entspre­ chend gekrümmten Formkörpers preßt. Auf diese Weise läßt sich eine Wicklung mit negativer Krümmung erhalten, ohne daß es einer besonderen, im allgemeinen sehr aufwendigen Fixierung aller Wicklungsteile während des Wicklungsvorganges bedarf.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, die zum An­ drücken der freiliegenden Leiterteile an die konvexe Außenseite des Formkörpers mindestens eine Andrückrolle enthält, deren Durchmesser der radialen Ausdehnung des zentralen Kernbereiches entspricht und die längs des Krümmungsbogens dieses Kernbereiches beweglich ausge­ bildet ist. Mit dieser Bewegung der Andrückrolle werden unter Zug die Leiterteile der provisorischen Wicklung um den Formkörper gelegt und auf diese ein­ fache Weise die negativ gekrümmte Innenseite der zu er­ stellenden Wicklung erhalten. Dabei werden die übrigen Wicklungsteile nachgezogen, so daß sich dabei zwangs­ läufig auch die konvexe Außenseite der zu erstellenden Wicklung mit ausbildet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 schematisch eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erstellende Magnetwicklung veranschaulicht ist, während in den

Fig. 2 und 3 verschiedene Verfahrensabschnitte bei der Herstellung einer solchen Wicklung angedeutet sind.

Dabei sind in den Figuren übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist in Aufsicht eine an sich bekannte, gekrümmte Magnetwicklung 2 gezeigt, wie sie beispiels­ weise zum Aufbau eines Dipolmagneten für einen Elek­ tronenspeicherring vorgesehen werden kann. Die in einer Ebene liegende, scheibenförmige Wicklung 2 ist dabei aus mindestens einem flachen, insbesondere supra­ leitenden Leiter zu erstellen. Sie umschließt einen zentralen, ebenso gekrümmten Kern 3 bzw. entsprechenden Kernbereich, der sich längs einer vorbestimmten Bogen­ länge b mit einem Bogen- bzw. Krümmungsradius ρ er­ streckt und eine konstante radiale Ausdehnung s hat. Die Größe s ist dabei der doppelte Abstand von dem Krümmungsbogen bzw. der Bogenlinie B jeweils zu einer der beiden konzentrisch gekrümmten Längsseiten 4 bzw. 5 des Kernes 3 . Die konstante Ausdehnung s dieses Be­ reiches erstreckt sich im allgemeinen über eine Bogenlänge π × ρ × α°/180°, wobei α ° der in Grad gemessene Zentri- oder Bogenwinkel ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel soll α ° einen Wert von 180° haben. Die stirnseitigen Endbereiche 7 und 8 des zentralen Kernes 3 werden von Halbkreisen mit Durchmessern von jeweils s gebildet. Um diese Halb­ kreise herum ist somit bei der Wicklung 2 der Bereich ihrer konvex geformten Außenseite 9 mit dem Bereich ihrer konkav geformten Innenseite 10 verbunden.

Die Erstellung einer derartigen, gekrümmten Wicklung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist schematisch in den Fig. 2 und 3 jeweils als Aufsicht angedeutet.

Gemäß Fig. 2 wird zunächst eine provisorische, ring­ scheibenförmige Wicklung 12 erstellt, indem die Wick­ lungsleiter unter Zug um einen provisorischen, kreis­ förmigen Wickelkörper 13 mit einer entsprechenden, in der Figur nicht näher ausgeführten Wickelmaschine ge­ wickelt werden. Der somit positive Krümmungsradius R dieses Wickelkörpers 13 und damit dessen Außenumfang sind dabei vorteilhaft so gewählt, daß die Leiterlängen in den einzelnen Windungen der provisorischen Wicklung 12 auch nach Ausbildung der gekrümmten Wickelform gemäß Fig. 1 zumindest weitgehend konstant bleiben und so eine Stauchung oder Überdehnung einzelner Leiterteile vermieden wird.

Nachdem die Wicklung 12 erstellt ist, wird diese provisorisch fixiert und nach Abnahme von der Wickelmaschine bzw. nach Entfernen des Wickelkörpers 13 gemäß Fig. 3 flach auf eine ebene Grundplatte 15 einer Verformungseinrichtung 16 gelegt. Diese Lage der mit 12′ bezeichneten, in der Figur gestrichelt eingezeich­ neten Wicklung auf der Grundplatte 15 stellt die An­ fangsphase für einen in dieser Figur angedeuteten Verformungsvorgang dar.

Die Verformungseinrichtung 16 enthält einen kreis­ förmigen oder auch D-förmigen Formkörper 17, dessen konvexe Außenseite 18 einen Krümmungsradius r hat, der dem Krümmungsradius der konkaven Innenseite 10 der zu erstellenden Wicklung 2 entspricht. An diese Außenseite 18 soll die provisorische, ringscheibenförmige Wicklung 12′ nun so angepreßt werden, daß die gewünschte ge­ krümmte Form der Wicklung 2 erhalten wird. Während der Verformung wird vorteilhaft die Wicklung mittels einer in der Figur nicht dargestellten Deckplatte auf der ebenen Grundplatte 15 der Verformungseinrichtung 16 gehalten.

Für die erforderliche Verformung weist die Verformungs­ einrichtung 16 mindestens ein besonderes Anpreßelement auf, das an der konkav geformten Innenseite 20 der provisorischen Wicklung 12′ zumindest in der Nähe eines Scheitelpunktes P angreift. Dieser Scheitelpunkt liegt in der Mitte der konkaven Innenseite 5 des ge­ krümmten Kernbereiches 3′ . Vorteilhaft werden gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Andrückelemente 21 bzw. 22 vorgesehen. Diese im Krümmungsmittelpunkt M des Formkörpers 17, der zugleich auch der Krümmungs­ mittelpunkt der Bogenlinie B ist, drehbar gelagerten Elemente 21 und 22 erstrecken sich somit im wesent­ lichen in radialer Richtung bzgl. der Bogenlinie B. Sie weisen zum Anpressen der provisorischen Wicklung 12′ an die Außenseite 18 des Formkörpers 17 jeweils eine Andrückrolle 24 bzw. 25 auf, deren Durchmesser zumin­ dest in etwa der radialen Ausdehnung s des zentralen mit 3′ bezeichneten Kernbereiches entsprechen und die entlang der Bogenlinie B zu führen sind. Wenn nun diese beiden Andrückrollen 24 und 25, ausgehend von der durch den Krümmungsmittelpunkt M und dem Scheitelpunkt P gehenden Scheitellinie L, symmetrisch zueinander aus­ einanderstrebend auf der Bogenlinie B bewegt werden, so werden die freiliegenden Leiterteile 12 a der provi­ sorischen Wicklung 12′, welche den Bereich der konkaven Innenseite 10 der zu erstellenden gekrümmten Wicklung 2 bilden sollen, mittels von den Andrückrollen 24 und 25 bewirkter Verformungskräfte K an die Außenseite 18 des Formkörpers 17 angepreßt. Die übrigen Leiterteile werden dabei in Richtung auf den Formkörper 17 hin mitgezogen. Die Verformungskräfte K weisen dabei im wesentlichen eine radial bzgl. der Außenfläche 18 und eine in Bewegungsrichtung der jeweiligen Andrückrolle längs der Bogenlinie B weisende Kraftkomponente auf.

In der Figur ist eine Zwischenphase der Verformung angedeutet. Dabei ist der Winkel β, der von der Scheitellinie L und der Verbindungslinie des Krümmungs­ mittelpunktes M mit dem Mittelpunkt m der jeweiligen Andrückrolle eingeschlossen wird, gerade etwa 45°. Die in dieser Phase befindlichen Andrückrollen sind mit 24′ und 25′ sowie die dabei erhaltene Wicklung ist mit 12′′ bezeichnet.

Die zwischen der Scheitellinie L und den Andrückrollen 24 und 25 jeweils ausgebildeten Teilbereiche des zen­ tralen Kernbereiches 3′ werden vorteilhaft mit fortschreitender Vergrößerung des Winkels β suk­ zessive mit entsprechend geformten Kernsegmenten gefüllt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind bei Erreichen der Endphase, in der 2 × β = α = 180° ist, jeweils drei derartige Füllsegmente 28 a bis 30 a bzw. 28 b bis 30 b vorgesehen. In der in der Figur ebenfalls dargestellten Endphase umschließen dann die Leiter der Wicklung 2 form­ schlüssig den zentralen Kern 3 , welcher den Kernbe­ reich 3′ mit den Kernsegmenten 28 a bis 30 a, 28 b bis 30 b, sowie mit den beiden Andrückrollen mit 24′′ und 25′′ sowie ihre Andrückelemente mit 21′′ bzw. 22′′ bezeichnet.

Nach Erreichen der Endphase kann dann die Wicklung 2 mittels eines aushärtbaren Kunststoffes verfestigt werden.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß mit der Verformungseinrichtung 16 eine einzige ebene, gekrümmte Scheibenwicklung erstellt werden soll. Selbstverständlich kann man nacheinander auch Doppelscheiben in entsprechender Weise erhalten. Aus solchen Doppelscheiben sind im allgemeinen supra­ leitende Dipolmagnetspulen aufgebaut.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung der gekrümmten, scheiben­ förmigen Wicklung eines Magneten, insbesondere für eine Anlage zur Beschleunigung und/oder Speicherung elek­ trisch geladener Teilchen wie Elektronen, wobei die Leiter der zu erstellenden Wicklung um einen eine kon­ vex geformte Außenseite und eine konkav geformte Innen­ seite aufweisenden, zentralen Kernbereich mit somit teilweise negativer Krümmung angeordnet und schließlich in dieser Lage fixiert werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zunächst die Leiter um einen provisorischen, kreisförmigen Wickelkörper (13) vorbestimmten Umfangs zu einer provisorischen, ring­ scheibenförmigen Wicklung (12) unter Zug gewickelt werden und daß nach Entfernen des provisorischen Wickelkörpers (13) die dann freiliegenden Leiterteile (12 a) der provisorischen Wicklung (12′), welche den Be­ reich der konkaven Innenseite (10) der zu erstellenden gekrümmten Wicklung ( 2 ) bilden sollen, an die konvexe Außenseite (18) eines Formkörpers (17), dessen Krümmung an die Krümmung der konkaven Innenseite (10) der zu er­ stellenden gekrümmten Wicklung ( 2 ) angepaßt ist, an­ gepreßt werden, wobei die übrigen Leiterteile der provisorischen Wicklung (12′, 12′′) bis an den zentralen Kernbereich ( 3′) mit herangezogen werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Andrücken der freiliegenden Leiterteile (12 a) an die konvexe Außenseite (18) des Formkörpers (17) mindestens eine Andrückrolle (24, 25) vorgesehen ist, deren Durchmesser der radialen Aus­ dehnung (s) des zentralen Kernbereiches ( 3′) entspricht und die längs des Krümmungsbogens (B) dieses Kernbe­ reiches ( 3′) beweglich ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrück­ rolle (24, 25) Teil eines Andrückelementes ( 21 bzw. 22 ) ist, das im Krümmungsmittelpunkt (M) des Formkörpers (17) und des Krümmungsbogens (B) drehbar gelagert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit fortschreiten­ dem Anfügen der freien Leiterteile (12 a) der provi­ sorischen Wicklung (12′, 12′′) an die Außenseite (18) des Formkörpers (17) der zentrale Kernbereich ( 3′) mit entsprechend geformten Kernsegmenten (28 a bis 30 a, 28 b bis 30 b) auszufüllen ist, so daß die erstellte Wicklung ( 2 ) einen aus diesen Kernsegmenten (28 a bis 30 a, 28 b bis 30 b) und der mindestens einen Andrückrolle (24, 25) gebildeten zentralen Kern ( 3 ) umschließt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Andrückrollen (24 und 25) vorgesehen sind, die symmetrisch bezüglich einer durch den Krümmungsmittel­ punkt (M) des Krümmungsbogens (B) des Kernbereiches ( 3′) gehenden Scheitellinie (L) in Richtung auf die beiden Endbereiche (7, 8) der zu erstellenden Wicklung ( 2 ) zu bewegen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des provisorischen Wickelkörpers (13) zu­ mindest annähernd dem Außenumfang des zentralen Kern­ bereiches ( 3′) entspricht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale, längs des Krümmungsbogens (B) gekrümmte Kern­ bereich ( 3′) einen zumindest annähernd konstanten Abstand (s) zwischen seinen sich zwischen halbkreis­ förmigen stirnseitigen Endbereichen (7, 8) erstrecken­ den Längsseiten (4, 5) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung ( 2 ) des Magneten mit supraleitenden Leitern erstellt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet eine oder mehrere ebene Wicklungen ( 2 ) enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeweils zwei Wicklungen ( 2 ) eine Doppelscheibenwicklung bilden.