WO2006111527A1 - Sattelförmige spulenwicklung unter verwendung von supraleitern und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Sattelförmige spulenwicklung unter verwendung von supraleitern und verfahren zu ihrer herstellung Download PDF

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WO2006111527A1
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Martino Leghissa
Norbert Prölss
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49014—Superconductor

Definitions

  • the invention relates to a saddle-shaped coil winding using superconductors on a tube jacket surface with axially extending, straight winding sections and between them bent on opposite end faces, winding heads forming winding sections.
  • the invention further relates to a method for producing such a coil winding.
  • a corresponding method for producing such a coil winding can be found in JP 06-196314 A.
  • Racetrack coils are flat windings in which the turns always lie within a winding plane. If stacked such racetrack coils, the stack thus has no opening in the longitudinal direction (so-called "aperture") .
  • the raceway coils In rotating machines with a continuous wave, therefore, the raceway coils must be mounted above and below a central area (cf., for example, DE 199 43 783 A1) Therefore, in the axially extending, straight winding sections of the coil winding there is a free space not occupied by the winding, which leads to a corresponding reduction of the usable field strength This results in a more effective use of the superconducting windings, for example in rotating machines, provided that the superconductors are correspondingly deformable without sacrificing their superconducting properties.
  • Conically shaped coil windings with band-shaped HTS conductors have also been proposed (see WO 01/08173 A1). at Although this coil geometry, the winding is curved; However, here are the head of the individual turns on the straight sections and in the winding head each within a common plane. The flat sides of the conductors are parallel to the axis, which emerges perpendicularly from the coil winding.
  • a manufacturing method known for coil windings made of strain-sensitive superconductors is based on the fact that the superconducting properties of the conductors of the coil winding are formed in their final shape only after the winding process (so-called "wind-and-react” technique, cf., for example, EP 1 471 363 A1), but this usually requires complicated winding devices which are not very suitable for cost-effective production of coil windings for replacement in rotating machines.
  • Object of the present invention is therefore to provide a saddle-shaped coil winding with the features mentioned, in which the above-mentioned problems are reduced.
  • a manufacturing method is to be specified which is suitable for producing non-planar coil windings using already finished band-shaped conductors such as high-T c superconductors, which are particularly sensitive to strain.
  • the saddle-shaped coil winding should consist of an Renner type spool shape may be formed on a tube shell surface such that it has axially extending, longitudinal side winding sections and winding end sections, which form winding ends forming therebetween, the windings of the coil winding
  • Winding center of the coil winding is arranged inclined, wherein the inclination angle is smaller in an inner turn than in an outer turn.
  • the length of a closed circulation by 360 ° of the superconductor to a winding center, z. B. understood a winding core.
  • the two edges of the strip each define a circumferential length.
  • these two circulating lengths are inherently the same.
  • the saddle coil is designed such that both circulating lengths in the case of the three-dimensionally shaped coil at most a difference of 0.4% (preferably 0.3% or even better 0.2%) change in length to the orbital lengths of the planar coil as well as relative to each other have.
  • This difference is dependent on the particular superconductor structure and its change in the superconducting properties during bending or stretching. It can therefore also be below the specified value. In this case, it is possible to ensure that the local elongation or compression of the strip conductor as compared to the flat coil is at most 0.4% (preferably 0.3% or even better 0.2%) over the entire circulation. This is necessary in order not to reduce the current carrying capacity of the strip conductor in the saddle coil.
  • the advantages associated with this embodiment of the coil winding can be seen in particular in that an effective field use of the superconducting material of already finished strip conductors can be achieved because the straight parts of the winding are in a range in which more power with the same quantitative use of strip conductor material can be achieved. In addition, a compact arrangement of the windings is made possible so that correspondingly smaller diameters of the area forming the pipe jacket surface can be achieved.
  • the coil winding according to the invention is also characterized in particular by the fact that its at least one conductor in the area of the end winding sections is inclined in a particular manner with its flat side inclined relative to a normal on the jacket surface in the direction of the winding center of the coil winding. With such an orientation of the conductor can be avoided that there is in the formation of the winding to excessive overstretching of the conductor.
  • the coil winding can be formed particularly advantageous with any strain-sensitive tape-shaped superconductor.
  • a strain-sensitive superconductor should be understood in this context to mean any prefabricated superconductor which, after its production, would be subjected to stretching or bending in a saddle coil according to known methods, which would lead to a marked deterioration of its superconducting properties, in particular its critical current density I c . by at least 5% over the unstretched one Condition would lead. A corresponding danger is given especially in the new oxide ceramic high-T c superconductors.
  • the coil winding may therefore preferably be formed with at least one high-T c superconductor with BPSCCO or YBCO material.
  • the at least one strip-shaped superconductor may also be formed with MgB 2 superconductor material.
  • the at least one strip-shaped superconductor for constructing the coil winding has an aspect ratio (width w / thickness d) of at least 3, preferably at least 5. It is precisely with such superconductors that coil windings with a pronounced saddle shape can now be produced without any fear of impairing their superconducting properties.
  • a tube with a circular or elliptical cross section, in particular a cylinder jacket surface can be formed.
  • the pipe jacket surface may be formed by a tubular body carrying the winding.
  • the coil winding may also be formed self-supporting. In the latter case, the pipe jacket surface is therefore only a fictitious, imaginary surface.
  • a tube with a curved axis can be formed, without it being necessary to come to unreasonable overstretching of the conductor. That is, the inventive measures are not limited to saddle coil windings with straight lateral winding sections.
  • the respective circumferential length in the saddle shape of the in the flat coil shape differs by at most 0.4%, preferably by at most 0.3%. Below this value, a degradation with respect to the superconducting properties of the conductor is not to be feared.
  • the coil winding has a radial height of at least 10% of the tube diameter to have a pronounced saddle shape.
  • the radial height is at least 30% of the pipe diameter.
  • the coil winding can be arranged in a rotating machine or in a magnet of an accelerator such as a gantry accelerator magnet or form part of this device. Namely, it is precisely for these devices that windings with a pronounced saddle shape are required.
  • the specified production method with the characteristics of winding a flat coil winding and subsequent shaping into a saddle coil winding has the advantages that the planar winding technique can be carried out in a simple manner.
  • Corresponding winding machines require only one axis of rotation.
  • more complex winder machines with at least two axes of rotation would be necessary for the direct production of bent saddle coil windings.
  • the method therefore enables a cost-effective winding production.
  • the method for producing a corresponding coil winding can additionally be configured as follows:
  • spacers for the formation of the flat coil shape for spacing the adjacent turns spacers can be introduced, which are removed before the deformation step again.
  • the orbital lengths of the individual turns can be adjusted so that their change in deformation to the saddle coils does not exceed the limits given above.
  • the turns are expediently potted or glued.
  • FIG. 1 is an oblique view of a racetrack coil winding as a starting form of saddle coil windings according to the invention
  • FIG. 2 is an oblique view of an arrangement with two wind-up coil windings in their final form;
  • FIG. 3 and 4 a first embodiment of a saddle coil winding according to the invention in cross-sectional or L Lucassansieht, - whose figures 5 and 6 in the figures 3 and 4 corresponding representation, a further embodiment of such a coil winding, 7 shows a winding head of the saddle coil winding indicated in FIG. 4 in an enlarged view, FIG. 8 shows in a diagram the dependence of the tilt angle of conductors on the winding head according to FIG. 7 from the pole angle and FIGS. 9 and 10 a bending device for producing a novel device Saddle coil winding in plan view or in cross section.
  • corresponding parts in the figures are each provided with the same reference numerals.
  • a flat or flat coil shape of the racetrack type is to be assumed in the production of a saddle-shaped coil winding.
  • Corresponding coil shapes are generally known (cf., for example, DE 199 43 783 A1); FIG. 1 shows an exemplary embodiment.
  • the coil winding denoted therein by 2 ' has opposite longitudinal winding sections 2a' and 2d 'as well as curved end winding sections 2b' and 2c 'extending therebetween.
  • the winding 2 ' should be created with one or more band-shaped superconductors.
  • To form the coil winding of the respective band-shaped conductor is edged, i. with its narrow side to the winding plane around a winding or winding center Z, for example, wound around a central winding core.
  • a circumferential length of the conductor within an arbitrary turn once around 360 ° around the center Z or once through each of the two longitudinal winding sections 2a ', 2d' and the front winding sections 2b ', 2c' is intended in the figure by a designated U be indicated by dashed line.
  • the two edges of the strip each define a circumferential length Ul or U2. In the case of planar winding, these two circulating lengths are inherently the same.
  • the circumferential length U is spoken, but always the circulation lengths U1 and U2 of the edges are meant.
  • all superconducting materials are suitable as conductor material, in particular those which are sensitive to strain.
  • So z. B. the at least one band-shaped Supralei- ter with MgB 2 superconductor material may be formed.
  • one of the known HTS materials is selected.
  • the winding 2 ' is therefore formed with one or more band-shaped HTS conductors, in particular of (BiPb) 2 Sr 2 Ca 2 CuO x -TyP (abbreviation: BPSCCO) or of the YBa 2 Cu 3 O x -TyP (abbreviation: YBCO) ,
  • the HTS conductors have a width w which is typically greater than 3 mm and usually between 3 and 5 mm. Its thickness d is much smaller than the width w and is typically less than 0.5 mm.
  • HTS conductors having an aspect ratio (width w / thickness d) of at least 3, preferably at least 5, are preferably used.
  • the saddle coil winding according to the invention is now designed so that both circumferential lengths Ul and U2 in the case of the three-dimensional coil winding form at most a difference of 0.4%, preferably 0.3% or even better 0.2%, change in length
  • This difference depends on the respective superconductor structure and its change in the superconducting properties during bending or stretching. It can therefore also be below the specified value.
  • it is possible to ensure that the local elongation or compression of the strip conductor as compared to the plane coil is not more than 0.4%, preferably 0.3% or even better 0.2% over the entire circulation.
  • the circumferential length U of the conductor in the individual turns should remain virtually unchanged in relation to the saddle coil winding to be formed from the flat racetrack coil winding, this means a concrete specification of the individual lap lengths U for the raceway coil winding. That is, in the case of the coil winding according to the invention, the circulating lengths to be concretely selected for the conductor or conductors in the individual windings are determined by the corresponding Length of the respective turn is given in the saddle shape and depending on the cycle length is set for the individual turns in the flat racetrack coil shape.
  • the conductor windings in the area of the end winding sections 2b ', 2c' must be relatively loosely adjacent to one another, that is, they must not be rigidly connected to one another.
  • Cylinder surface Mf which is formed for example by a hollow cylinder 4. If it is possible to dispense with such a hollow cylinder as a carrier for the coil windings, the lateral surface Mf is to be regarded as only "imaginary lateral surface.”
  • Each of the coil windings 2 and 3 has straight winding sections 2a, 2d (not in the direction of the hollow cylinder axis A) visible) or 3a, 3d (not visible) as well as curved, winding heads forming winding sections 2b, 2c and 3b, 3c on opposite end sides th.
  • FIGS. 3 and 4 z. B. the selected coil winding 3 straight coil sections 3a of the axial length G and three-dimensionally bent end windings in end winding sections 3b and 3c each of the axial length L.
  • the coil winding is located on a cylinder jacket surface Mf the diameter D.
  • the embodiments differ according to the figure pairs 3, 4 and 5, 6 substantially by the height h of the saddle-shaped coil winding 3.
  • the size h represents the maximum value by which the winding heads from the plane of the raise original racetrack coil winding or out of the plane of the longitudinal winding parts before and after the formation of the saddle shape.
  • This value should generally be at least 10% of the diameter D of the tube with the tube surface Mf and may for example be at least 40% of this size.
  • h «Vz-- D; ie the winding lies with its outermost turns W 1 in the middle, ie at the equator of the cylindrical surface.
  • the cylinder jacket surface Mf is wound with the saddle coil winding designated as conductors 13 only to the extent that its outermost turns W 1 lie above the equatorial plane of the cylinder.
  • the radial winding height h is smaller than D / 2.
  • a radial height h of at least 10% of the pipe diameter D should be selected.
  • the individual HTS conductors at the vertex of the end winding sections 3b, 3c or the winding heads are not exactly perpendicular to the cylinder jacket surface Mf, but are at an angle of inclination to the normal N on this surface ß inclined inwards to the winding center Z to. This is a consequence of the inventive design of the coil winding.
  • the coil geometry shown is assigned a rectangular xyz coordinate system, the x-axis in the equatorial plane, the y-axis perpendicular thereto and the z-axis in the axial direction of the cylinder jacket surface are directed (see Figures 3 and 4).
  • Figures 3 and 4 further details are given for a mathematical description of a corresponding coil geometry:
  • the shape of the winding heads is given by the fact that the three-dimensional space curve of the strip conductor is defined by a half ellipse (general case) or a semicircle (special case of a half ellipse with two equal half axes) is rolled onto the cylinder surface of the diameter D.
  • the half ellipse is exactly the shape of the winding head of the flat coil before bending. This ensures compliance with the circulation lengths.
  • the first half-axis is the ellipse
  • This larger cylinder diameter corresponds to a first half-axis of
  • the Verkippungs- or inclination angle ß adjusts itself so that the outer edge undergoes almost no elongation relative to the inner edge.
  • the inclination angle ⁇ i of the inner conductor winding Wi smaller than the inclination angle ⁇ 4 of the outer conductor winding W 4 .
  • the tilting of the strip conductor is now achieved by toroiding the conductor in the winding over its longitudinal axis. This torsion occurs in addition to the bend as additional mechanical stress on the conductor.
  • FIG. 8 shows in a diagram with equation 8 calculated tilt angles ⁇ theo and the tilt angle ⁇ measured at different saddle coil windings, in each case as a function of the pole angle ⁇ .
  • the measured values are entered as square points ⁇ .
  • the geometric design of the coil winding (cylinder diameter D, pole angle ⁇ for the turns, half-axis ratio e) is carried out so that the respective conductor-specific limit loads • critical radius of curvature R c or curvature strain ⁇ C R • critical torsion ⁇ c or torsional strain ⁇ c e not be exceeded.
  • the following limit loads apply to a commercial BPSCCO leader:
  • a saddle-shaped coil winding according to the invention has the following characteristic properties:
  • the three-dimensional curvature of the winding heads is achieved by bending the flat edge band conductors (so-called "good” bending direction) and torsion of the conductor along the conductor axis.
  • All windings W 1 of the coil winding lie in the winding heads above a certain minimum height h, whereby a large aperture is achieved.
  • the height h depends on the Bewicklungsgrad the coil winding (see differences between the pairs of figures 3, 4 and 5, 6).
  • the flat sides of the strip conductors lie approximately in the radial direction with respect to the cylindrical shape of the coil winding.
  • the strip conductors have a certain inclination at an angle ⁇ inwards (see FIGS. 3 to 7). This inclination varies for the different types of wind. This inclination ensures that the "outer edge" of the strip conductor does not experience any undue elongation in relation to the "inner edge” of the strip conductor, which in turn leads to irreversible damage to the superconducting strip. Pressings 11, 12 for forming the coil winding 2. Before the Bending the spacers are first removed from the winding heads.
  • the pressing tools are now lowered onto the flat coil winding 2 '.
  • the pressing tools now deform the initially flat coil winding and push it onto the surface of the bending cylinder using bending forces K. This achieves the desired coil geometry in Sattelforra.
  • the coil winding must now be fixed in its curved shape. This can be done, for example, by casting the coil winding.
  • the surface of the bending device z. B. Teflon, which does not connect with Vergussraaterialien.
  • the fixation of the coil winding could alternatively be done by suitably shaped auxiliary tools, the z. B. be clamped or glued to the coil winding. This could be z. B. a potting later be performed outside of the bending device.
  • the coil winding can finally be removed from the bending device.
  • a saddle-shaped coil winding according to the invention can also be produced with coated YBCO conductors. It is also possible that the technology will be applied to composite composite conductors, particularly of the ladder type, if larger coil windings are required.
  • the saddle coil winding according to the invention on an optionally only imaginary lateral surface Mf of an elongated hollow cylinder such.
  • the rotor of an electrical machine such as a motor or generator is located. It may also be the lateral surface of a magnet z.
  • B. is the high energy physics.
  • the configuration of a saddle coil winding according to the invention and its production method are not necessarily limited to a corresponding shape of the lateral surface.
  • magnets for so-called “gantries” of accelerators for cancer therapy magnets for so-called “gantries” of accelerators for cancer therapy, curved coil windings are used, in which case the longitudinal windings just assumed for the above embodiments are bent in the coil plane so that the particle beam can travel in a circular path Axis A of the tubular lateral surface, which is covered with the saddle coil winding, may optionally also be curved.

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Abstract

Die sattelförmige Spulenwicklung (3) wird aus einer ebenen Spulenform vom Rennbahntyp auf eine Rohrmantelfläche (Mf) geformt, so dass sie axial verlaufende, längsseitige Wicklungsabschnitte (3a) und dazwischen verlaufende stirnseitige, Wickelköpfe bildende Wicklungsabschnitte (3b, 3c) aufweist. Die einzelnen Windungen (Wi) der Spulenwicklung sollen mit wenigstens einem bandförmigen Supraleiter (5) insbesondere mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial gebildet werden, der mit seiner Schmalseite (5a) der Rohrmantelfläche (Mf) zugewandt ist. Zur Vermeidung unzulässiger mechanische Belastungen des Leiters bei der Spulenformung sollen die Windungen (Wi) in der Sattelform jeweils eine Umlauf länge (U) aufweisen, die praktisch unverändert gegenüber der in der ebenen Spulenform geblieben ist .

Description

Beschreibung
Sattelförmige Spulenwicklung unter Verwendung von Supraleitern und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine sattelförmige Spulenwicklung unter Verwendung von Supraleitern auf einer Rohrmantelfläche mit axial verlaufenden, geraden Wicklungsabschnitten und dazwischen an gegenüberliegenden Stirnseiten gebogenen, Wickelköpfe bildenden Wicklungsabschnitten. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Spulenwicklung. Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Spulenwicklung ist der JP 06-196314 A zu entnehmen .
Auf dem Gebiet der Supraleitungstechnik werden sattelförmige Spulenwicklungen seit langem auf dem Gebiet der Hochenergie- und Teilchenphysik oder der elektrischen Maschinen vorgesehen. Hierbei kommen im Allgemeinen Leiter mit klassischem, metallischem Supraleitermaterial mit niedriger Sprungtemperatur Tc, so genanntes Low-Tc-Supraleitermaterial (Abkürzung: LTS-Material) zur Anwendung. Entsprechende Leiter lassen sich nämlich verhältnismäßig leicht und ohne Einbußen an ihren supraleitenden Eigenschaften in die Sattelform mit axial ver- laufenden, geraden Wicklungsabschnitten und dazwischen an gegenüberliegenden Stirnseiten gebogenen, Wickelköpfe bildenden Wicklungsabschnitten biegen. Oder ihre supraleitenden Eigenschaften werden nach der so genannten „Wind-and-React"-Tech- nik erst nach der endgütigen Formgebung der Leiter in der Wicklung ausgebildet bzw. eingestellt.
Seit Bekannt werden der oxidischen Supraleitermaterialien mit hoher Sprungtemperatur Tc, dem so genannten High-Tc-Supralei- termaterial (Abkürzung: HTS-Material) , wird versucht, ent- sprechende Wicklungen auch mit Leitern aus diesen Materialien herzustellen. Ein entsprechender Vorschlag geht aus der eingangs genannten JP 06-196314 A hervor. Auch in der JP 2003-255032 A ist die Möglichkeit einer Verwendung solcher Leiter für sattelförmige Spulenwicklungen erwähnt. Hierbei ist jedoch das Problem gegeben, dass Leiter unter Verwendung derartiger Materialien mit hinreichender Stromtragfähigkeit bzw. kritischer Stromdichte Jc sich bisher praktisch nur in Bandform fertigen lassen, fertige Bandleiter jedoch sehr dehnungsempfindlich sind und deshalb sich wegen der Gefahr einer Einbuße an Stromtragfähigkeit bzw. kritischer Stromdichte Ic nur in sehr geringem Masse biegen lassen. Man hat deshalb in weitem Umfang auf die Herstellung von sattelförmigen Spulen- Wicklungen mit derartigen bandförmigen HTS-Leitern verzichtet und stattdessen so genannte „Rennbahnspulen" (englisch: „race track coils") eingeplant.
Rennbahnspulen sind flache Wicklungen, bei denen die Windun- gen stets innerhalb einer Wicklungsebene liegen. Stapelt man solche Rennbahnspulen aufeinander, besitzt der Stapel in Längsrichtung somit keine Öffnung (so genannte „Apertur") . In rotierenden Maschinen mit durchlaufender Welle müssen deshalb die Rennbahnspulen oberhalb und unterhalb eines zentralen Be- reiches angebracht werden (vgl. z. B. DE 199 43 783 Al). Es ergibt sich deshalb in den axial verlaufenden, geraden Wicklungsabschnitten der Spulenwicklung ein freier, nicht durch die Wicklung besetzter Raum, der zu einer entsprechenden Reduzierung der nutzbaren Feldstärke führt. Durch den Einsatz von Sattelspulen, d.h. Spulenwicklungen mit stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen, entsteht eine Apertur. Damit ist ein effektiverer Einsatz der supraleitenden Wicklungen z. B. in rotierenden Maschinen verbunden, vorausgesetzt dass die Supraleiter ohne Einbußen bzgl. ihrer supraleitenden Eigenschaf- ten entsprechend verformbar sind.
Flache Spulenwicklungen vom Rennbahntyp für einen HTS-Motor und die Herstellung entsprechender Spulenwicklungen sind z. B. auch in „IEEE Trans. Appl . Supercond.", Vol. 9, No. 2, Ju- ni 1999, Seiten 1197 bis 1200 beschrieben.
Es wurden auch konisch geformte Spulenwicklungen mit bandförmigen HTS-Leitern vorgeschlagen (vgl. WO 01/08173 Al). Bei dieser Spulengeometrie ist zwar die Wicklung gewölbt; jedoch befinden sich auch hier die Leiter der einzelnen Windungen an den geraden Strecken und in den Wickelkopfbereichen jeweils innerhalb einer gemeinsamen Ebene. Die flachen Seiten der Leiter liegen dabei parallel zur Achse, welche senkrecht aus der Spulenwicklung heraustritt.
Es sind auch Versuche zur Herstellung von sattelförmigen Spulenwicklungen mit bandförmigen HTS-Leitern bekannt (vgl. „IEEE Trans. Appl . Supercond.", Vol. 9, No. 2, Juni 1999, Seiten 293 bis 296) . Das dort beschriebene Wicklungsdesign ermöglicht jedoch für einen Quadrupolmagneten nur kleine Aperturen; solche Aperturen sind jedoch für Dipolwicklungen, wie sie z. B. für zweipolige Rotorwicklungen von Maschinen vorzusehen sind, nicht ausreichend.
Ein für Spulenwicklungen aus dehnungsempfindlichen Supraleitern bekanntes Herstellungsverfahren beruht darauf, dass die supraleitenden Eigenschaften der Leiter der Spulenwicklung erst nach dem Wickelvorgang in ihrer endgültigen Form ausgebildet werden (so genannte „Wind-and-React"-Technik; vgl. z. B. EP 1 471 363 Al) . Dies erfordert jedoch in der Regel aufwendige Wickelvorrichtungen, die für eine kostengünstige Herstellung von Spulenwicklungen zum Ersatz in rotierenden Ma- schinen wenig geeignet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine sattelförmige Spulenwicklung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, bei der die vorstehend angesprochenen Probleme reduziert sind. Insbesondere soll auch ein Herstellungsverfahren angegeben werden, welches zur Herstellung nicht-ebener Spulenwicklungen unter Verwendung bereits fertig gestellter bandförmiger Leiter wie Hoch-Tc-Supraleiter geeignet ist, die insbesondere dehnungsempfindlich sind.
Die sich auf die sattelförmige Spulenwicklung beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll die sattelförmige Spulenwicklung aus einer ebe- nen Spulenform vom Rennbahntyp auf eine Rohrmantelfläche derart geformt sein, dass sie axial verlaufende, längsseitige Wicklungsabschnitte und dazwischen verlaufende stirnseitige, Wickelköpfe bildende Wicklungsabschnitte aufweist, wobei die Windungen der Spulenwicklung
- mit wenigstens einem bandförmigen Supraleiter gebildet sind, der mit seiner Schmalseite der Rohrmantelfläche zugewandt ist,
- und in der Sattelform jeweils eine Umlauflänge aufweisen, die praktisch unverändert gegenüber der in einer ebenen
Spulenform ist, so dass auf der Rohrmantelfläche der wenigstens eine bandförmige Leiter in den Windungen im Bereich der Scheitel der stirnseitigen Wicklungsabschnitte mit seiner Flachseite um einen Neigungswinkel gegenüber einer Normalen auf der Mantelfläche in Richtung auf das
Wicklungszentrum der Spulenwicklung geneigt angeordnet ist, wobei der Neigungswinkel bei einer innen liegenden Windung kleiner als bei einer außen liegenden Windung ist. Dabei wird unter einer Umlauflänge die Länge eines geschlos- senen Umlaufs um 360° des Supraleiters um ein Wicklungszentrum, z. B. einen Wickelkern verstanden. Bei Verwendung eines Bandleiters definieren dabei die beiden Kanten des Bandes jeweils eine Umlauflänge. Im Falle der ebenen Wicklung sind diese beiden Umlauflängen von Natur aus gleich. Die Sattel- spule ist derart gestaltet, dass beide Umlauflängen im Fall der dreidimensional geformten Spule höchstens einen Unterschied von 0,4 % (vorzugsweise 0,3 % oder noch besser 0,2 %) Längenänderung zu der Umlauflängen der ebenen Spule sowie auch relativ zueinander besitzen. Dieser Unterschied ist ab- hängig von dem jeweiligen Supraleiteraufbau und dessen Änderung der Supraleitungseigenschaften beim Biegen bzw. Dehnen. Er kann folglich auch noch unter dem angegebenen Wert liegen. Dabei lässt sich gewährleisten, dass auch über den ganzen Umlauf gesehen die lokale Dehnung bzw. Stauchung des Bandlei- ters im Vergleich zur ebenen Spule höchstens 0,4 % (vorzugsweise 0,3 % oder noch besser 0,2 %) beträgt. Dies ist notwendig, um die Stromtragfähigkeit des Bandleiters in der Sattelspule nicht zu verringern. Die mit dieser Ausgestaltung der Spulenwicklung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass eine effektive feldmäßige Nutzung des Supraleitermaterials von bereits fertigen Bandleitern zu erreichen ist, weil die geraden Teile der Wicklung in einem Bereich liegen, in dem mehr Leistung bei gleichem mengenmäßigen Einsatz an Bandleitermaterial erreicht werden kann. Außerdem wird eine kompakte Anordnung der Wicklungen ermöglicht, so dass entsprechend kleinere Durch- messer des die Rohrmantelfläche bildenden Bereichs erreicht werden können.
Die erfindungsgemäße Spulenwicklung zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, dass ihr wenigstens einer Leiter im Be- reich der stirnseitigen Wicklungsabschnitte mit seiner Flachseite gegenüber einer Normalen auf der Mantelfläche in Richtung auf das Wicklungszentrum der Spulenwicklung in besonderer Weise geneigt angeordnet ist. Mit einer derartigen Ausrichtung des Leiters kann vermieden werden, dass es bei der Formung der Wicklung zu unzulässigen Überdehnungen des Leiters kommt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Spulenwicklung gehen aus den zugeordneten abhängigen Unteransprü- chen hervor. Dabei kann die Ausführungsform der Spulenwicklung mit den Merkmalen eines dieser Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren zugeordneten Unteransprüchen kombiniert werden.
So kann die Spulenwicklung besonders vorteilhaft mit jedem dehnungsempfindlichen bandförmigen Supraleiter ausgebildet sein. Unter einem dehnungsempfindlichen Supraleiter sei in diesem Zusammenhang jeder vorgefertigte Supraleiter verstanden, der nach seiner Herstellung beim Aufbau einer Sattelspu- Ie nach bekannten Verfahren einer Dehnung bzw. Biegung unterworfen würde, die zu einer merklichen Verschlechterung seiner supraleitenden Eigenschaften, insbesondere seiner kritischen Stromdichte Ic, um mindestens 5% gegenüber dem ungedehnten Zustand führen würde. Eine entsprechende Gefahr ist insbesondere bei den neuen oxidkeramischen Hoch-Tc-Supraleitern gegeben. Die Spulenwicklung kann deshalb bevorzugt mit wenigstens einem Hoch-Tc-Supraleiter mit BPSCCO- oder YBCO-Material aus- gebildet sein.
Stattdessen kann der wenigstens eine bandförmige Supraleiter auch mit MgB2-Supraleitermaterial ausgebildet sein.
Vorteilhaft kann der wenigstens eine bandförmige Supraleiter zum Aufbau der Spulenwicklung ein Aspektverhältnis (Breite w/Dicke d) von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5 aufweisen. Gerade mit solchen Supraleitern sind nunmehr Spulenwicklungen mit ausgeprägter Sattelform herstellbar, ohne dass eine Beeinträchtigung ihrer supraleitenden Eigenschaften zu befürchten ist.
Von der rohrförmigen Mantelfläche kann ein Rohr mit einem kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt, insbesondere eine Zylindermantelfläche (konkret oder fiktiv) gebildet werden.
Dabei kann die Rohrmantelfläche von einem die Wicklung tragenden rohrförmigen Körper gebildet sein. Stattdessen kann die Spulenwicklung auch selbsttragend ausgebildet sein. In letzterem Falle handelt es sich bei der Rohrmantelfläche also nur um eine fiktive, gedachte Fläche.
Gegebenenfalls kann von der rohrförmigen Mantelfläche auch ein Rohr mit einer gekrümmten Achse (konkret oder fiktiv) gebildet werden, ohne dass es zu unzulässigen Überdehnungen des Leiters zu kommen braucht. D.h., die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind nicht auf Sattelspulenwicklungen mit geraden seitlichen Wicklungsabschnitten beschränkt.
Im Hinblick auf eine Vermeidung unzulässiger Dehnungen/Biegungen des Supraleiters wird vorteilhaft vorgesehen, dass sich die jeweilige Umlauflänge in der Sattelform von der in der ebenen Spulenform um höchstens 0,4 %, vorzugsweise um höchstens 0,3 % unterscheidet. Unterhalb dieses Wertes ist eine Degradation bzgl. der Supraleitungseigenschaften des Leiters nicht zu befürchten.
Im Allgemeinen weist die Spulenwicklung eine radiale Höhe auf die mindestens 10 % des Rohrdurchmessers auf, um eine ausgeprägte Sattelform zu besitzen. Vorzugsweise beträgt die radiale Höhe mindestens 30 % des Rohrdurchmessers.
Bevorzugt kann die Spulenwicklung in einer rotierenden Maschine oder in einem Magneten eines Beschleunigers wie einem Gantry-Beschleunigermagneten angeordnet sein oder einen Teil dieser Vorrichtung bilden. Gerade für diese Vorrichtungen werden nämlich Wicklungen mit ausgeprägter Sattelform gefordert .
Die sich auf die Herstellung der Spulenwicklung beziehende Aufgabe wird mit den aus Anspruch 16 zu entnehmenden Maßnah- men gelöst. Demgemäß sollen die folgenden Schritte vorgesehen werden, nämlich
- Ausbildung der ebenen Spulenform aus dem wenigstens einen vorgefertigten bandförmigen Supraleiter,
- Verformung auf die rohrförmige Mantelfläche einer Biegevor- richtung zu der Sattelform mittels Pressens,
- Fixierung der Windungen in der Sattelform.
Das angegebene Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Wickeins einer flachen Spulenwicklung und anschließenden For- mens zu einer Sattelspulenwicklung ist mit den Vorteilen verbunden, dass die ebene Wickeltechnik auf einfache Weise durchführbar ist. Entsprechende Wickelmaschinen benötigen nur eine Drehachse. Demgegenüber wären bei einer direkten Erstellung von gebogenen Sattelspulenwicklungen aufwendigere Wi- ckelmaschinen mit mindestens zwei Drehachsen notwendig. Das Verfahren ermöglicht deshalb eine kostengünstige Wicklungsfertigung. Vorteilhaft kann das Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Spulenwicklung zusätzlich noch folgendermaßen ausgestaltet sein:
So können bei der Ausbildung der ebenen Spulenform im Bereich der stirnseitigen Wicklungsabschnitte zwischen benachbarten Windungen Abstände vorgesehen werden derart, dass bei der und nach der Verformung jeweils die praktisch unveränderte Umlauflänge der einzelnen Windungen gegeben ist.
Außerdem können für die Ausbildung der ebenen Spulenform zur Beabstandung der benachbarten Windungen Abstandshalter eingebracht werden, die vor dem Verformungsschritt wieder entfernt werden. Durch die Verwendung von Abstandshaltern bei der Aus- bildung der ebenen Spulenform können die Umlauflängen der einzelnen Windungen so eingestellt werden, dass deren Änderung bei der Verformung zur Sattelspulen die oben angegebenen Grenzwerte nicht überschreiten.
Zur Fixierung werden die Windungen zweckmäßig vergossen oder verklebt .
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert, in der bevorzugte Ausführungsformen erfin- dungsgemäßer Spulenwicklungen bzw. einer Vorrichtung zu ihrer Herstellung angedeutet sind. Dabei zeigen jeweils in leicht schematisierter Form
- deren Figur 1 in Schrägansicht eine Rennbahnspulenwicklung als Ausgangsform erfindungsgemäßer Sattelspulenwicklungen, - deren Figur 2 in Schrägansicht eine Anordnung mit zwei Sattelspulenwicklungen in ihrer Endform,
- deren Figuren 3 und 4 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sattelspulenwicklung in Querschnitts- bzw. Längsansieht, - deren Figuren 5 und 6 in den Figuren 3 und 4 entsprechender Darstellung eine weitere Ausführungsform einer solchen Spulenwicklung, deren Figur 7 einen Wickelkopf der in der Figur 4 angedeuteten Sattelspulenwicklung in vergrößerter Ansicht, deren Figur 8 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Ver- kippungswinkels von Leitern am Wickelkopf gemäß Figur 7 von dem Polwinkel sowie deren Figuren 9 und 10 eine Biegevorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sattelspulenwicklung in Aufsicht bzw. im Querschnitt. Dabei sind sich entsprechende Teile in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Erfindungsgemäß soll bei der Herstellung einer sattelförmigen Spulenwicklung von einer ebenen bzw. flachen Spulenform vom Rennbahntyp ausgegangen werden. Entsprechende Spulenformen sind allgemein bekannt (vgl. z. B. DE 199 43 783 Al); ein Ausführungsbeispiel zeigt Figur 1. Die dort mit 2' bezeichnete Spulenwicklung hat gegenüberliegende längsseitige Wicklungsabschnitte 2a' und 2d' sowie dazwischen verlaufende stirnseitige, gebogene Wicklungsabschnitte 2b' und 2c' . Die Wicklung 2' soll mit einem oder mehreren bandförmigen Supraleitern erstellt sein. Zur Ausbildung der Spulenwicklung wird der jeweilige bandförmige Leiter hochkant, d.h. mit seiner Schmalseite zur Wicklungsebene um ein Wickel- bzw. Wicklungs- Zentrum Z, beispielsweise um einen zentralen Wickelkern, gewickelt. Eine Umlauflänge des Leiters innerhalb einer beliebigen Windung einmal um 360° um das Zentrum Z herum bzw. einmal durch jeden der beiden längsseitigen Wicklungsabschnitte 2a', 2d' und der stirnseitigen Wicklungsabschnitte 2b', 2c' verlaufend soll in der Figur durch eine mit U bezeichnete gestrichelte Linie angedeutet sein. Bei Verwendung eines Bandleiters definieren dabei die beiden Kanten des Bandes jeweils eine Umlauflänge Ul bzw. U2. Im Falle der ebenen Wicklung sind diese beiden Umlauflängen von Natur aus gleich.
Im Folgenden wird zur Vereinfachung nur von der Umlauflänge U gesprochen, wobei aber stets die Umlauflängen Ul und U2 der Kanten gemeint sind. Als Leitermaterial kommen prinzipiell alle Supraleitermaterialien in Frage, insbesondere solche, die dehnungsempfindlich sind. So kann z. B. der wenigstens eine bandförmige Supralei- ter mit MgB2-Supraleitermaterial ausgebildet sein. Für das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist eines der bekannten HTS- Materialien ausgewählt. Die Wicklung 2' ist deshalb mit einem oder mehreren bandförmigen HTS-Leitern ausgebildet, insbesondere vom (BiPb)2Sr2Ca2CuOx-TyP (Abkürzung: BPSCCO) oder vom YBa2Cu3Ox-TyP (Abkürzung: YBCO) . Die HTS-Leiter haben dabei eine Breite w, die typisch größer 3 mm beträgt und meistens zwischen 3 und 5 mm liegt. Ihre Dicke d ist dabei sehr viel kleiner als die Breite w und liegt typisch unter 0,5 mm. Bevorzugt werden HTS-Leiter mit einem Aspektverhältnis (Breite w/Dicke d) von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5, verwendet .
Ausgehend von der ebenen Spulenform ist die erfindungsgemäße Sattelspulenwicklung nun so gestaltet, dass beide Umlauflän- gen Ul und U2 im Fall der dreidimensionalen Spulenwicklungsform höchstens einen Unterschied von 0,4 %, vorzugsweise 0,3 % oder noch besser 0,2 %, Längenänderung zu der Umlauflängen der ebenen Spule sowie auch relativ zueinander besitzen. Dieser Unterschied ist abhängig von dem jeweiligen Sup- raleiteraufbau und dessen Änderung der Supraleitungseigenschaften beim Biegen bzw. Dehnen. Er kann folglich auch noch unter dem angegebenen Wert liegen. Dabei lässt sich gewährleisten, dass auch über den ganzen Umlauf gesehen die lokale Dehnung bzw. Stauchung des Bandleiters im Vergleich zur ebe- nen Spule höchstens 0,4 %, vorzugsweise 0,3 % oder noch besser 0,2 % beträgt. Da erfindungsgemäß die Umlauflänge U des Leiters in den einzelnen Windungen gegenüber der aus der ebenen Rennbahnspulenwicklung zu formenden Sattelspulenwicklung praktisch unverändert bleiben soll, bedeutet dies eine kon- krete Vorgabe der einzelnen Umlauflängen U für die Rennbahnspulenwicklung. D.h., dass bei der erfindungsgemäßen Spulenwicklung die konkret zu wählenden Umlauflängen für den oder die Leiter in den einzelnen Windungen durch die entsprechende Länge der jeweiligen Windung in der Sattelform vorgegeben ist und davon abhängig die Umlauflänge für die einzelnen Windungen in der ebenen Rennbahnspulenform festgelegt ist. Das hat zur Folge, dass in der Rennbahnspulenform die Leiterwindungen im Bereich der stirnseitigen Wicklungsabschnitte 2b' , 2c' verhältnismäßig locker nebeneinander liegen müssen, also nicht starr miteinander verbunden sein dürfen.
Bei der in Figur 2 gezeigten Anordnung mit zwei Sattelspulen 2 und 3 wird von bekannten Ausführungsformen von Dipolmagneten ausgegangen, wie sie z. B. für Strahlführungsmagnete in Beschleunigeranlagen der Hochenergiephysik zum Einsatz kommen. Eine entsprechende Anordnung ist auch für einen Rotor einer elektrischen Maschine von Vorteil. Die einzelnen sat- telförmigen Spulenwicklungen befinden sich dabei auf einer
Zylindermantelfläche Mf, die beispielsweise durch einen Hohl- zylinder 4 gebildet wird. Falls auf einen derartigen Hohlzy- linder als Träger für die Spulenwicklungen verzichtet werden kann, ist die Mantelfläche Mf als nur „gedachte Mantelfläche" anzusehen. Jede der Spulenwicklungen 2 und 3 weist dabei in Richtung der Hohlzylinderachse A verlaufende, gerade Wicklungsabschnitte 2a, 2d (nicht sichtbar) bzw. 3a, 3d (nicht sichtbar) sowie gebogene, Wickelköpfe bildende Wicklungsabschnitte 2b, 2c bzw. 3b, 3c an gegenüberliegenden Stirnsei- ten.
Nachfolgend werden Größen von Ausführungsformen solcher Sattelspulenwicklungen zugrunde gelegt, die aus den Figuren 3 bis 7 hervorgehen. Gemäß den Figuren 3 und 4 enthält z. B. die ausgewählte Spulenwicklung 3 gerade Spulenabschnitte 3a der axialen Länge G und dreidimensional gebogene Wickelköpfe in stirnseitigen Wicklungsabschnitten 3b und 3c jeweils der axialen Länge L. Die Spulenwicklung befindet sich dabei auf einer Zylindermantelfläche Mf des Durchmessers D. Dabei un- terscheiden sich die Ausführungsformen nach den Figurenpaaren 3, 4 und 5, 6 im Wesentlichen durch die Höhe h der sattelförmigen Spulenwicklung 3. Die Größe h stellt dabei den maximalen Wert dar, um den sich die Wickelköpfe aus der Ebene der ursprünglichen Rennbahnspulenwicklung bzw. aus der Ebene der längsseitigen Wicklungsteile vor und nach der Ausbildung der Sattelform erheben. Dieser Wert sollte im Allgemeinen mindestens 10 % des Durchmessers D des Rohres mit der Rohrmantel- fläche Mf ausmachen und kann beispielsweise mindestens 40 % dieser Größe betragen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 ist h « Vz-- D; d.h., die Wicklung liegt mit ihrer äußersten Windungen W1 in der Mitte, d.h. am Äquator der Zylinderfläche. Demgegenüber ist gemäß den Figuren 5 und 6 die Zylindermantelfläche Mf mit den Leitern mit 13 bezeichneten Sattelspulenwicklung nur soweit bewickelt, dass ihre äußersten Windungen W1 oberhalb der Äquatorebene des Zylinders liegen. Hier ist demnach die radiale Wicklungshöhe h kleiner als D/2. Bevorzugt sollte eine radiale Höhe h von mindestens 10 % des Rohrdurchmessers D gewählt werden.
In dem Ausschnitt zu den beiden Figurenpaaren 3, 4 und 5, 6 ist der bandförmige HTS-Leiter mit 5 bezeichnet. Mit ihm ist die jeweilige Sattelspulenwicklung so erstellt, dass seine Schmalseite 5a der Zylindermantelfläche Mf zugewandt ist (vgl. insbesondere die Figuren 3 und 5) .
Wie aus den Figuren 3 bis 6 ferner hervorgeht, stehen die einzelnen HTS-Leiter im Scheitelpunkt der stirnseitigen Wick- lungsabschnitte 3b, 3c bzw. der Wickelköpfe nicht exakt senkrecht auf der Zylindermantelfläche Mf, sondern sind gegenüber der Normalen N auf dieser Fläche um einen Neigungswinkel ß nach innen auf das Wickelzentrum Z zu geneigt. Dies ist eine Folge der erfindungsgemäßen Ausbildung der Spulenwicklung.
Der gezeigten Spulengeometrie sei ein rechtwinkliges x-y-z- Koordinatensystem zugeordnet, wobei die x-Achse in der Äquatorialebene, die y-Achse senkrecht dazu und die z-Achse in axialer Richtung der Zylindermantelfläche gerichtet sind (vgl. Figuren 3 und 4) . Nachfolgend werden nähere Ausführungen zu einer mathematischen Beschreibung einer entsprechenden Spulengeometrie gegeben:
Die Form der Wickelköpfe ist dadurch gegeben, dass die dreidimensionale Raumkurve des Bandleiters dadurch definiert ist, dass eine Halbellipse (allgemeiner Fall) bzw. ein Halbkreis (spezieller Fall einer Halbellipse mit zwei gleichen Halbachsen) auf die Zylinderoberfläche des Durchmessers D abgerollt wird. Die Halbellipse ist genau die Form des Wickelkopfs der ebenen Spule vor dem Biegen. Dadurch wird die Einhaltung der Umlauflängen gewährleistet.
Für einen Leiter, der in den geraden Teilen um einen Winkel Θ vom Pol (Richtung der y-Achse) entfernt ist, beträgt die erste Halbachse der Ellipse
ΘD a± = , (Gleichung 1)
die zweite Halbachse sei b = L1 (im Spezialfall des Halbkreises gilt a = b, d.h. L1 = θ-O^/2) . Im Allgemeinfall kann dies in Form von
Θ D bi = L1 = e (Gleichung 2 )
ausgedrückt werden, wobei der Faktor e das Verhältnis der beiden Halbachsen beschreibt. Dies gilt für die innere Kante des Leiters (Index „i") , die sich auf dem Zylinderdurchmesser D1 befindet. Die Leiterlänge für die Innenkante beträgt damit näherungsweise
π π Θ D
L1 » — - Ja1 + bi ) = — • L - ( l+e ) (Gleichung 3 )
2 2 2
Die äußere Kante des gleichen Bandleiters (Index „a") befin- det sich an den geraden Stücken auf dem Zylinderdurchmesser Da « D1 + 2w, (Gleichung 4) wobei w die Breite des Bandleiters ist.
Dieser größere Zylinderdurchmesser entspricht einer ersten Halbachse von
Θ D Θ(D+2w) Aa = - » —— . (Gleichung 5)
2 2
Bei gleicher zweiter Halbachse (ba = hx) würde dies zu einem längeren Weg der äußeren Kante gegenüber der inneren Kante führen, d.h. der Bandleiter würde unzulässig überdehnt werden. Die unzulässige Dehnung wird vermieden, indem im Wickelkopf der Bandleiter um einen Winkel ß nach innen hin auf das Wicklungszentrum Z verkippt bzw. geneigt wird. Dies verkürzt die zweite Halbachse auf
ba = La = bi - w-sinß (Gleichung 6)
Der Verkippungs- oder Neigungswinkel ß stellt sich dabei so ein, dass die Außenkante annähernd keine Längung gegenüber der Innenkante erfährt.
Unter Vernachlässigung der Biege- und Torsionssteifigkeiten beträgt der dafür berechnete Verkippungswinkel
4-Θ2 ßtheo = arccos (Gleichung 7)
4+ Θ2
Dies hat zur Folge, dass sich der Verkippungs- oder Neigungs- winkel ß an den stirnseitigen Wickelköpfen von Windung zu
Windung ändert, und zwar vom Zentrum Z der Windung nach außen hin leicht zunehmend. Aus Figur 7 ist dieser Sachverhalt ersichtlich, in dieser Figur ist ein Ausschnitt eines stirnseitigen Wicklungsabschnittes bzw. Wickelkopfes 3b der in Figur 4 gezeigten Wicklung 3 ersichtlich. Aus zeichnerischen Gründen ist wie in Figur 4 die Anzahl der dargestellten Leiter- Windungen Wj (mit j = 1 ...4) auf die Zahl „4" beschränkt, wobei die innerste Leiterwindung mit Wi und die äußerste mit W4 bezeichnet sind. Im Scheitelpunkt des stirnseitigen Wicklungsabschnittes 3b ist dabei der Neigungswinkel ßi der inne- ren Leiterwindung Wi kleiner als der Neigungswinkel ß4 der äußeren Leiterwindung W4.
Die Verkippung des Bandleiters wird nun dadurch erreicht, dass der Leiter im Wickelkopf entlang seiner Längsachse toro- diert wird. Diese Torsion tritt neben der Biegung als zusätzliche mechanische Belastung des Leiters auf.
Die Biege- und Torsionssteifigkeiten bekannter HTS-Bandleiter können mit Hilfe eines Korrekturfaktors k « 0,5 bis 1,5 - vorzugsweise k « 0,5 bis 1,0 - berücksichtigt werden. Der berechnete Verkippungswinkel beträgt dann
4-Θ2
-»theo = k • arccos (Gleichung 8)
4+ Θ2
Die Figur 8 zeigt in einem Diagramm mit Gleichung 8 berechnete Verkippungswinkel ßtheo und den an verschiedenen Sattelspulenwicklungen gemessenen Verkippungswinkel ß jeweils in Abhängigkeit von dem Polwinkel Θ. Dabei liegt der durchgezogenen Linie I die Berechnung mit einem Korrekturfaktor k = 1, der gestrichelten Linie II die Berechnung mit einem Korrekturfaktor k = 0,7 und der strichpunktierten Linie III die Berechnung mit einem Korrekturfaktor k = 0,5 zugrunde. Die Messwerte sind als quadratische Punkte ■ eingetragen.
Die geometrische Auslegung der Spulenwicklung (Zylinderdurchmesser D, Polwinkel Θ für die Windungen, Halbachsenverhältnis e) erfolgt dabei so, dass die jeweils leiterspezifischen Grenzbelastungen • kritischer Krümmungsradius Rc bzw. Krümmungsdehnung εCR • kritische Torsion θc bzw. Torsionsdehnung εce nicht überschritten werden. Als Beispiele sollen folgende Grenzbelastungen für einen kommerziellen BPSCCO-Leiter gelten:
• kritische Biegebelastung: Rc « 3 cm bzw. εc « 0,4 % • kritische Torsionsbelastung: θc « 2500°/m bzw. εce x 0,2 %.
Unter Zugrundelegung einer entsprechenden Spulengeometrie weist eine sattelförmige Spulenwicklung nach der Erfindung folgende charakteristische Eigenschaften auf:
• Die dreidimensionale Krümmung der Wickelköpfe wird durch Biegung der Bandleiter für die flache Kante (so genannte „gute" Biegerichtung) und Torsion des Leiters entlang der Leiterachse erzielt.
• Die lokal auftretenden Biegeradien und Torsionen liegen innerhalb der kritischen Belastungsgrenzen, ab denen eine irreversible Schädigung der supraleitenden Eigenschaften auftritt.
• Alle Windungen W1 der Spulenwicklung liegen in den Wickelköpfen oberhalb einer gewissen Mindesthöhe h, wodurch eine große Apertur erreicht wird. Die Höhe h hängt von dem Bewicklungsgrad der Spulenwicklung ab (siehe Unterschiede zwischen den Figurenpaaren 3, 4 und 5, 6) .
• In den geraden Abschnitten der Wicklung liegen die flachen Seiten der Bandleiter annähernd in radialer Richtung mit Bezug auf die zylindrische Form der Spulen- wicklung.
• In den Wickelköpfen besitzen die Bandleiter eine gewisse Neigung um einen Winkel ß nach innen (siehe Figuren 3 bis 7) . Diese Neigung variiert für die unterschiedlichen Win- düngen. Durch diese Neigung wird erreicht, dass die „äußere Kante" des Bandleiters gegenüber den „inneren Kante" des Bandleiters keine unzulässige Dehnung erfährt, welche wiederum zu einer irreversiblen Schädigung der supralei-
Figure imgf000019_0001
Pressstücke 11, 12 zum Formen der Spulenwicklung 2. Vor dem Biegen werden zunächst die Abstandshalter aus den Wickelköpfen entfernt.
3.In einem dritten Schritt werden nun die Presswerkzeuge auf die flache Spulenwicklung 2' abgesenkt. Die Presswerkzeuge verformen nun die anfänglich flache Spulenwicklung und drücken diese unter Anwendung von Biegekräften K auf die Oberfläche des Biegezylinders. Dadurch erreicht man die gewünschte Spulengeometrie in Sattelforra.
4.In einem vierten Schritt muss die Spulenwicklung nun in ihrer gebogenen Form fixiert werden. Dies kann zum Beispiel durch Verguss der Spulenwicklung geschehen. Um ein Verkleben der Spulenwicklung in der Biegevorrichtung zu verhin- dern, besteht die Oberfläche der Biegevorrichtung z. B. aus Teflon, welches sich nicht mit Vergussraaterialien verbindet . Die Fixierung der Spulenwicklung könnte alternativ auch durch geeignet geformte Hilfswerkzeuge geschehen, die z. B. an die Spulenwicklung angeklemmt oder geklebt werden. Damit könnte z. B. ein Verguss später außerhalb der Biegevorrichtung durchgeführt werden.
5. Die Spulenwicklung kann schließlich aus der Biegevorrichtung entfernt werden.
Bei einer nach diesem Verfahren mit bekanntem BPSCCO-Band- leitermaterial von der flachen Scheibenspulenwicklung bis hin zur fertig vergossenen und aus der Biegevorrichtung entnommenen Sattelspulenwicklung konnte keine Schädigung des Leiters festgestellt werden.
Ebenso gut kann nach diesem Verfahren eine erfindungsgemäße sattelförmige Spulenwicklung auch mit beschichteten YBCO- Leitern hergestellt werden. Es ist auch möglich, dass die Technologie auf zusammengesetzte Verbundleiter, insbesondere vom Röbelleitertyp, angewandt wird, falls größere Spulenwicklungen erforderlich sind. Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass sich die erfindungsgemäße Sattelspulenwicklung auf einer gegebenenfalls nur gedachten Mantelfläche Mf eines lang gestreckten Hohlzylinders wie z. B. des Rotors einer elektrischen Maschine wie eines Motors oder Generators befindet. Auch kann es sich um die Mantelfläche eines Magneten z. B. der Hochenergiephysik handelt. Die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sattelspulenwicklung und deren Herstellungsverfahren sind jedoch nicht unbedingt auf eine entsprechende Form der Mantelfläche beschränkt. So sind auch von der exakten Kreisform des Querschnitts eines Hohlzylinders abweichende Querschnittsformen wie z. B. eine mehr elliptische Querschnittsform ebenso gut möglich, ohne dass es zu einer unzulässigen Überdehnung der Supraleiter kommen muss. Auch ein gerader Verlauf der Achse A des Rohres mit der Mantelfläche Mf ist nicht zwingend einzuhalten. Es ist nämlich auch eine Rohrform mit gekrümmter Achse bekannt, die mit Sattelspulenwicklungen versehen sein können, die erfindungsgemäß ausgeführt sein können. So kommen bei bestimmten Beschleunigermag- neten, z. B. Magneten für so genannte „Gantrys" von Beschleunigern zur Krebstherapie, gekrümmte Spulenwicklungen zum Einsatz. In diesem Fall sind die längsseitigen, für die vorstehenden Ausführungsbeispiele gerade angenommenen Wicklungsabschnitte in der Spulenebene gebogen, damit der Teilchenstrahl auf einer Kreisbahn laufen kann. D.h., die Achse A der rohr- förmigen Mantelfläche, welche mit der Sattelspulenwicklung belegt ist, kann gegebenenfalls auch gekrümmt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Sattelförmige Spulenwicklung (2, 3, 13), die aus einer ebenen Spulenform (2') vom Rennbahntyp auf eine Rohrmantel- fläche (Mf) geformt ist, so dass sie axial verlaufende, längsseitige Wicklungsabschnitte (2a, 2d; 3a, 3d) und dazwischen verlaufende stirnseitige, Wickelköpfe bildende Wicklungsabschnitte (2b, 2c; 3b, 3c) aufweist, wobei die Windungen (W1) der Spulenwicklung - mit wenigstens einem bandförmigen Supraleiter (5) gebildet sind, der mit seiner Schmalseite (5a) der Rohrmantelfläche (Mf) zugewandt ist, - und in der Sattelform jeweils eine Umlauflänge aufweisen, die praktisch unverändert gegenüber der in einer ebenen Spulenform (2') ist, so dass auf der Rohrmantelfläche (Mf) der wenigstens eine bandförmige Leiter (5) in den Windungen (W1) im Bereich der Scheitel der stirnseitigen Wicklungsabschnitte (2b, 2c; 3b, 3c) mit seiner Flachseite um einen Neigungswinkel (ß) gegenüber einer Normalen (N) auf der Mantelfläche (Mf) in Richtung auf das Wicklungszentrum (Z) der Spulenwicklung geneigt angeordnet ist, wobei der Neigungswinkel (ßi) bei einer innen liegenden Windung (Wi) kleiner als bei einer außen liegenden Windung (W4) ist.
2. Spulenwicklung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausbildung mit wenigstens einem dehnungsempfindlichen bandförmigen Supraleiter (5) .
3. Spulenwicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass der wenigstens eine bandförmige Supraleiter
(5) mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial ausgebildet ist.
4. Spulenwicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Hoch-Tc-Supraleiter (5) mit BPSCCO- oder YBCO-Material ausgebildet ist.
5. Spulenwicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bandförmige Supraleiter (5) mit MgB2-Supraleitermaterial ausgebildet ist.
6. Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen bandförmigen Supraleiter (5) mit einem Aspektverhältnis (Breite w/Dicke d) von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5.
7. Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der rohrförmigen Mantelfläche (Mf) ein Rohr mit einem kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt gebildet ist.
8. Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrmantelfläche (Mf) eine Zylindermantelfläche ist.
9. Spulenwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der rohrförmigen Mantelfläche (Mf) ein Rohr mit einer gekrümmte Achse gebildet ist.
10. Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrmantelfläche (Mf) von einem die Wicklung tragenden rohrförmigen Körper gebildet ist .
11. Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweilige Umlauflänge (U) in der Sattelform von der in der ebenen Spulenform um höchstens 0,4 %, vorzugsweise um höchstens 0,3 % unterscheidet.
12. Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine radiale Höhe (h) , die mindestens
10 % des Rohrdurchmessers (D) beträgt.
13. Spulenwicklung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine radiale Höhe (h) , die mindestens 30 % des Rohrdurchmessers (D) beträgt.
14. Spulenwicklung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung in einer rotierenden Maschine oder in einem Magneten eines Beschleuniger wie einem Gantry-Beschleunigermagneten .
15. Verfahren zur Herstellung einer Spulenwicklung nach einer der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte, nämlich
- Ausbildung der ebenen Spulenform (2') aus dem wenigstens einen vorgefertigten bandförmigen Supraleiter (5) , - Verformung auf die rohrförmige Mantelfläche (Mf) einer Biegevorrichtung (7) zu der Sattelform mittels Pressens,
- Fixierung der Windungen (W1) in der Sattelform.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung der ebenen Spulenform (2') im Bereich der stirnseitigen Wicklungsabschnitte (2b' , 2c' ) zwischen benachbarten Windungen Abstände vorgesehen werden derart, dass bei der und nach der Verformung die praktisch unveränderte Umlauflänge (U) der einzelnen Windungen (W1) gegeben ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung der ebenen Spulenform zur Beabstandung der benachbarten Windungen (W1) Abstandshalter eingebracht werden, die vor dem Verformungsschritt wieder entfernt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung die Windungen (W1) vergossen oder verklebt werden.
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