DE1464782C - Verfahren zum Herstellen einer sattel fbrmigen supraleitenden Spule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer sattelförmigen Spule mit mehreren Winclungslagcn aus supraleitendem Draht und einer zwischen den einzelnen Windungslagen angeordneten induktiven Abschirmung aus einem Metall, das bei tiefen Temperaturen normalleitend bleibt.

Die in großen supraleitenden Magneten gespeicherte Energiemenge wird in Einheiten von 10 Megajoulcs gemessen. Wenn ein eine solch große Energie speichernder Magnet unkontrolliert in den Normalzustand zurückkehrt, besteht die Gefahr, daß der Magnet und seine Umgebung beschädigt oder zerstört wird. Für die Herstellung von betriebssicheren supraleitenden Magneten mit großer Feldstärke wurden bisher folgende Maßnahmen einzeln oder zusammen angewendet:

a) Der zum Wickeln des Magneten benutzte supraleiicndc Draht wurde mit einem Überzug aus einem einen geringen Widerstand aufweisenden Material, z. B. Kupfer, sowie aus einem Material mit großem Widerstand versehen.

b) Abschnitte oder Lagen des Magneten werden mit einem einen geringen Widerstand aufweisenden Nebenschlußwiderstand versehen, so daß der Strom in jedem Abschnitt unabhängig auf den Wert Null absinken kann.

c) Um Segmente oder Lagen der Spule, d. h. Wicklungen, werden induktive Abschirmungen vorgesehen, die den gesamten Magnetfluß konstant zu halten suchen, so daß der Strom in der Spule nur langsam abnimmt und in den supraleitenden Wicklungen nur ein kleiner Teil der gespeicherten Energie in Wärme umgesetzt wird.

Dabei besteht die bei der Herstellung von supraleitenden Magneten am schwierigsten zu erfüllende Forderung darin, zwischen die Lagen der Spule einen einen kleinen Widerstand aufweisenden, nichtmagnetischen Streifen, z. B. aus Kupfer, als induktive Abschirmung einzulegen. Während der Draht selbst in allen Richtungen gebogen werden kann, führt die Anwendung herkömmlicher Wickelverfahren ζ. Β. nach Art der britischen Patentschrift 604 735 zu einer ungeordneten Anordnung der nebeneinanderliegenden Drähte mit der Folge einer mangelhaften Ausnutzung des Wickelraumes, d. h. einem geringen Füllfaktor. Außerdem ist es dabei nicht möglich, einen induktiven Schutz vorzusehen.

Eine induktive Abschirmung und ein hoher Füllfaktor kann am leichtesten erzielt werden, wenn die supraleitende Spule in Analogie zu bekannten normalleitenden Spulen (deutsches Gebrauchsmuster 1 783 821) aus einem streifenförmigen Supraleiter hergestellt würde. Supraleiter in Streifenform stehen jedoch derzeit nicht zur Verfügung.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von supraleitenden sattelförmigen Spulen der eingangs erwähnten Art zu schaffen, durch welches derartige Spulen mit hohem Wirkungsgrad und gutem Füllfaktor einfach und wirtschaftlich herstellbar sind und bei der die Drahtwindungen jeder Lage fortlaufend nebeneinander liegen, d. h., ein Verfahren, durch welches ein lagengenaues Wickeln möglich ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dies dadurch erreicht, daß auf ein endloses Förder band, dessen Umfang um ein Mehrfaches größer ist als der Umfang, der sattelförmigen Spule, eine einlagige Wicklung aus nebeneinander angeordneten Windungen des supraleitenden Drahtes aufgebracht wird, daß auf die einlagige Wicklung das normalleitende Metall in Form eines Streifens, dessen Länge und Breite gleich dem Umfang und der Breite des Förderbandes sind, aufgeklebt wird, und daß die von dem Förderband abgenommene Wicklung auf sich selbst zu der sattelförmigen Spule aufgewickelt wird,

ίο wobei sich ein Ubergangsteil bildet, welches die erste und die letzte Wicklungslage verbindet und die übrigen Lagen überquert.

Zur Vermeidung von Verdrillungen in dem Übergangsteil wird ein verdrilltes Förderband verwendet, welches durch Aneinanderfügen der Enden eines mehrfach um seine Längsachsen um 360° verdrillten Bandes hergestellt wird, wobei die Anzahl der Verdrillungen gleich der Anzahl der Windungslagen der sattelförmigen Spule ist.

Bei Verwendung eines supraleitenden Drahtes, der aus Drahtlängen besteht, die kleiner sind als die gesamte Wicklungslänge der sattelförmigen Spule, werden vorzugsweise die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Drahtlängen im Übergangsteil angeordnet.

Auf die einlagige Wicklung kann vor dem Aufkleben des Metallstreifens ein isolierendes Füllmaterial aufgebracht werden, wenn dies gewünscht wird. Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht, die eine Vorrichtung zum Herstellen einer einlagigen Wicklung zeigt,

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Teil der Wickelvorrichtung aus Richtung der Linie 2-2 in F i g. 1,

Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung einer permanent verdrillten einlagigen Wicklung,

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3 und

Fig. 5 eine schaubildliche Darstellung einer sattelförmigen Wicklung.

Die Wickelvorrichtung weist einen an sich bekannten Wickeltisch 11 mit einer Drahtzuführungseinrichtung 12 und mit einer Querführung 13 für den Draht auf. Ein Bandspeicherteil ist mit 14 bezeichnet. Die Drahtführungseinrichtung besteht aus Tragarmen 15 für eine Vorratsrolle 16, einer Bremse 17 herkömmlicher Ausführung zum Regulieren der Spannung des Drahtes 18, der Querführung 13 für den Draht und aus einem drehbaren Wickelkopf 19, der den Draht aus der Querführung 13 aufnimmt. Alle angeführten Bauelemente sind an sich bekannt. Die freie Drehung der Vorratsrolle 16 kann durch eine bekannte Reibungsbremse gehemmt werden, und die gewünschte Drahtspannung kann z. B. mittels einer elektrisch betätigten Magnetbremse erzielt werden, die auf den Draht über eine federbeaufschlagte Rolle eine Bremskraft ausübt. Der Draht 18 wird über den Wickelkopf 19 für jede vollständige Umdrehung der Wicklung auf dem Speicherteil 14 um einen Drahtdurchmesser vorgerückt. Eine solche Querführungsvorrichtung kann aus einer an sich bekannten Leitspindel 21 bestehen, die über ein nicht dargestelltes Getriebe durch die Drehung des Wickelkopfes 19 angetrieben wird. Die Leitspindel 21 trägt eine drehbare Führungsrolle 22. Der Speicherteil 14 für die einlagige Wicklung setzt

sich in an sich bekannter Weise aus einer Anzahl von Rollen 23 zusammen, die in einem nicht dargestellten Gestell gelagert sind. Der Speicherteil 14 soll in der Hauptsache die einlagige Wicklung während des Wickeins zick-zack-förmig aufnehmen. Die Rollen können in an sich bekannter Weise über einen nicht dargestellten Kettenantrieb von einem Geschwindigkeitswechselgetriebe angetrieben werden. Der Antrieb der Rollen erfolgt vorzugsweise durch Reibungskupplungen, die verhindern, daß auf die Wicklung bei einem mechanischen Stillsetzen übermäßig starke Kräfte ausgeübt werden. Während des Wickeins wird die Spannung in der Wicklung durch mechanisches Einstellen einer oder mehrerer Rollen mit Hilfe einer Stellschraube od. dgl. reguliert. Die Einrichtung kann ferner mit einer magnetischen Kupplung 24 versehen werden, die eine örtlich bestimmte Regulierung der Spannung in der Wicklung an einer in der Nähe des Wickelkopfes 19 gelegenen Stelle ermöglicht. Die Wicklung wird auf einem endlosen Förderband 25 hergestellt, das über die Rollen 23 und den Wickelkopf 19 geführt ist.

Aus der F i g. 1 ist zu ersehen, daß das Förderband 25 zwischen einigen, jedoch nicht allen der Rollen 23 um 180° verdreht ist.

Dies ist bei zick-zack-förmiger Speicherung notwendig, damit der aufzuwickelnde Draht 18 auf dem Förderband 25 aufgewickelt werden kann, ohne mit den Rollen 23 in Berührung zu gelangen. Dem entsprechend liegt immer dieselbe Seite des Förderbandes in der Querrichtung an den Rollen an.

Das Förderband ist vorzugsweise aus Federstahl hergestellt. Es wird an entsprechenden Rollen um 180° verdreht, wonach die Enden des Förderbandes durch Stumpf sch weißung miteinander verbunden und angelassen werden. Das Förderband ist also permanent verdrillt. Der auf das Förderband schraubenförmig aufgewickelte Draht erhält zwangläufig die gleiche Anzahl von Verdrehungen wie das Förderband.

Nach dem Aufziehen des endlosen Förderbandes auf die Rollen und den Wickelkopf wird auf die außenliegende Hauptseite 26 des Förderbandes, d. h. auf die mit den Rollen nicht in Berührung gelangende Seite ein nicht erhärtender Klebstoff aufgetragen. Vorzugsweise wird ein im Handel erhältlicher Klebstreifen mit Papierunterlage verwendet wegen der Einfachheit, mit der er benutzt werden kann. Die Verwendung eines solchen Klebstreifens hat noch den weiteren Vorzug, daß er als Ganzes auf dem Förderband nach dem Abziehen der Wicklung zurückbleibt, wodurch ein besserer Füllfaktor in einer fertigen Spule erzielt wird.

Nach dem Aufbringen des Klebemittels wird der supraleitende Draht 18 von der Vorratsrolle 16 aus auf das Förderband schraubenförmig aufgewickelt, wobei die Wicklung 27 nach der F i g. 2 hergestellt wird. Der ziemlich steife Draht wird auf dem Förderband von dem Klebemittel festgehalten.

Gegenwärtig besteht ein für die Herstellung von supraleitenden Spulen befriedigender supraleitender Draht aus Niobium-Zirkonium. Da ein solcher supraleitender Draht Eigenschaften aufweist, die denen des Klaviersaitendrahtes ziemlich ähnlich sind, ist die Verwendung eines aus Federstahl hergestellten und mit einem Klebstoff belegten endlosen Förderbandes zweckmäßig. Theoretisch kann die einlagige Wicklung nur zwei Drahtenden als Anschlüsse aufweisen.

Da jedoch der Draht gegenwärtig nur in begrenzten Längen erhältlich ist, so verbleiben mehrere Paare von Drahtenden, die supraleitende Verbindungen in der einlagigen Wicklung erfordern. Jeder Draht endet vorzugsweise in einem vorherbestimmten Abschnitt

35 der Wicklung in der in der Fig. 3 dargestellten Weise, so daß die Enden 36 aller Leiter in der fertigen Wicklung im wesentlichen an derselben Stelle liegen. Der die Enden 36 der Leiter enthaltende Abschnitt wird vorzugsweise an einen freiliegenden und daher leicht zugänglichen Teil einer aus der Wicklung geformten Spule verlegt.

Wie am besten aus der F i g. 2 zu ersehen ist, besteht die Wicklung in dieser Herstellungsstufe aus einem oder mehreren Leitern, die nebeneinander auf dem Förderband 25 der Reihe nach und schraubenförmig aufgewickelt sind.

Bei großen Wicklungen, für die mehr als eine Spule Draht benötigt wird, kann die erste Drahtspule auf das Förderband aufgewickelt werden, bis diese bei 37 in der F i g. 3 ausläuft. Danach wird die nächste Drahtspule 18 auf dem Förderband an der Stelle 37 begonnen, an der der erste Leiter endet, und der zweite und alle folgenden Leiter werden vorzugsweise in der Nähe dieser Stelle beendet, so daß alle Endteile

36 der Leiter im wesentlichen in demselben Bezirk auf der Wicklung enden.

Nach dem Aufwickeln der gewünschten Anzahl von Windungen auf dem Förderband, wird auf die freiliegende Seite der Wicklung ein geeignetes elektrisch nichtleitendes Füllmaterial 48 aufgetragen, das die Windungen miteinander verbindet. Dieses Füllmaterial soll widerstandsfest gegen plötzliche Temperaturänderungen sein, es soll bei Raumtemperatur biegsam sein, einen niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten aufweisen, um eine Verformung bei supraleitenden Temperaturen und den damit verbundenen Beanspruchungen gering zu halten, und das Material soll bei allen Temperaturen einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Ein mit Erfolg verwendetes Füllmaterial ist ein bei Wärme aushärtendes Epoxydharz mit einem Zusatz von Aluminiumoxyd, das dem Material einen niedrigen Expansionskoeffizienten verleiht.

Wie aus F i g. 4 zu sehen, wird nach dem Auftragen des Füllmaterials 48 ein einen kleinen Widerstand aufweisender und nichtmagnetischer Streifen 45, z. B. aus Kupfer, mit einer Dicke von ungefähr 0,05 mm und mit einer Breite und Länge gleich der Wicklung sowie mit einem Belag aus einem isolierenden Material 46, wie Polytetrafluorethylen, z. B. mittels eines Klebstoffes 47 mit der freiliegenden: Fläche der Wicklung verbunden, so daß er einen Schutzstromkreis in Form eines geschlossenen elektrischen Stromkreises schafft.

Der Streifen 45 stellt nicht nur einen Schutzstromkreis in einer fertigen Spule dar, sondern hält auch die Windungen der Wicklung zusammen. Der Streifen 45 wird vorzugsweise aufgebracht, bevor die Draht- _; 60 wicklung vom Förderband abgenommen wird; wenn der Streifen 45 z. B. wegen zu kleinem Durchmesser der Rollen 23 nicht befriedigend während des Wikkelns aufgebracht werden kann, kann er auch nach dem Aufnehmen der Wicklung aufgebracht werden, ; 65 und zwar durch Übertragen der Wicklung auf eine nicht dargestellte Sammeltrommel mit einem Umfang entsprechend der Verdrillungslänge, so daß die Verdrillungen beim stirnseitigen Auflegen auf die

Trommel beseitigt werden. Der Streifen kann auf die auf die Sammeltrommel aufgelegte Wicklung aufgebracht werden.

Wenn der Streifen auf dem Förderband aufgebracht wird, ist die Größe der Rollen 23 wichtig. Ist der Durchmesser der Rollen 23 zu klein, so wird der Streifen beim Führen über die Rollen zu stark gereckt, wodurch das fertige Erzeugnis Buckel aufweisen kann.

Wird die Wicklung auf einem unverdauten Förderband hergestellt, so kann sie von diesem einfach durch Abstreifen vollständig getrennt werden. Wird die Wicklung jedoch auf einem permanent verdrillten Förderband hergestellt, so kann die Wicklung nicht vollständig vom Förderband getrennt werden, es sei denn, das Förderband wird zuerst quer durchgeschnitten.

Die Festigkeit der Wicklung kann weiterhin dadurch erhöht werden, wenn ein Binde- oder Füllmaterial 48 auch auf die Unterseite der Wicklung bei der oder nach der Abnahme vom Förderband aufgetragen wird. Die F i g. 3 zeigt eine permanent verdrillte einlagige Wicklung 27, und die Fig. 4 ist ein stark vergrößert gezeichneter Schnitt durch die Wicklung. Wie aus der F i g. 4 zu ersehen ist, liegen die Windungen des zuerst mit Kupfer 49 und dann mit der Isolation 50 überzogenen supraleitenden Drahtes 18 im Füllmaterial 48 eingebettet. Der Klebstoff 47 verbindet den Kupferstreifen 45, der mit der Isolation 46 überzogen ist, mit der oberen Seite der Wicklung.

Die F i g. 5 zeigt eine sattelförmige Spule 55, d. h. eine Spule mit einer anderen als einer einfachen Rundspulenform, die nach der Erfindung hergestellt ist. Nimmt man eine unverdrillte endlose Wicklung und wird das Aufwickeln auf der Wicklung selbst fortgesetzt, um eine Anzahl von Lagen zu erzeugen, wie in der F i g. 5 dargestellt, so verdreht sich die Wicklung in der Längsrichtung bei jeder Lage um 360°. Ist die Wicklung fertiggestellt, so verbindet ein Teil 56 der Wicklung die erste mit der letzten Lage 57 und 58 der Spule, wie in der Fig. 5 dargestellt, enthält jedoch dieselbe Anzahl von Verdrehungen von 360° wie die Spule Lagen aufweist. Um zu verhindern, daß der Überquerungsteil 56 der Wicklung Verdrehungen aufweist, soll daher die Wicklung während des Wickeins mit so vielen permanenten Verdrehungen (mittels eines verdrillten Förderbandes) versehen werden, wie die Anzahl der in der fertigen Wicklung erwünschten Lagen beträgt, damit der Überquerungsteil 56 keine Verdrehung aufweist, wie in der F i g. 5 dargestellt. Sollte dies in der Praxis nicht durchführbar sein, so kann der Überquerungsteil in ein Rohrstück od. dgl. (nicht dargestellt) eingelegt werden. Dies bringt jedoch Nachteile, da diese Maßnahme zu einem vom Hauptfeld gesonderten Magnetfeld führt, wodurch das bei einer Wicklung mit einem gegebenen Umfang mögliche stärkste Feld geschwächt wird. Das Entfernen der Verdrehungen ist eine einfache Angelegenheit. Wird die Wicklung in der falschen Richtung gewickelt (je nach den Richtungen der permanenten Verdrehungen in der Wicklung, die alle in derselben Richtung liegen sollen), so vermindern sich die Verdrehungen in der Wicklung nicht.

Wird mit der Herstellung der Spule an den Endteilen 36 der Leiter begonnen, z. B. bei 59 in der Fig. 5, so liegen die Endteile der Leiter im Überquerungsteil 56 der Wicklung, wodurch deren Verbindung miteinander zur Herstellung eines fortlaufenden supraleitenden Stromkreises erleichtert wird. Da die Anwendung von Wärme die erforderlichen supraleitenden Eigenschaften wesentlich beeinträchtigt, soll die Verbindung der Endteile 36 der Leiter mit mechanischen Preßverbindern hergestellt werden. Obwohl die Endteile der Leiter vorzugsweise sich im Überquerungsteil befinden sollen, so können sie auch in einem anderen freiliegenden Teil der Spulenwicklung verlegt werden. Befinden sich die Endteile nicht im Überquerungsteil der Wicklung, so kann es erforderlich werden, die Endteile der Leiter zwischen den Windungen und dem mit diesen verbundenen elektrisch leitenden Streifen anzuordnen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer sattelförmigen Spule mit mehreren Windungslagen aus supraleitendem Draht und einer zwischen den einzelnen Windungslagen angeordneten induktiven Abschirmung aus einem Metall, das bei tiefen Temperaturen normalleitend bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein endloses Förderband (25), dessen Umfang um ein Mehrfaches größer ist als der Umfang der sattelförmigen Spule (55), eine einlagige Wicklung (27) aus nebeneinander angeordneten Windungen des supraleitenden Drahtes (18) aufgebracht wird, daß auf die einlagige Wicklung (27) das normalleitende Metall in Form eines Streifens (45), dessen Länge und Breite gleich dem Umfang und der Breite des Förderbandes (25) sind, aufgeklebt wird, und daß die von dem Förderband (25) abgenommene Wicklung auf sich selbst zu der sattelförmigen Spule (55) aufgewickelt wird, wobei sich ein Ubergangsteil (56) bildet, welches die erste und die letzte Windungslage (57, 58) verbindet und die übrigen Lagen überquert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Verdrillungen in dem Übergangsteil (56) ein verdrilltes Förderband (25) verwendet wird, welches durch Aneinanderfügen der Enden eines mehrfach um seine Längsachsen um 360° verdrillten Bandes hergestellt wird, wobei die Anzahl der Verdrillungen gleich der Anzahl der Windungslagen der sattelförmigen Spule (55) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines supraleitenden Drahtes, der aus Drahtlängen besteht, die kleiner sind als die gesamte Wicklungslänge der sattelförmigen Spule (55), die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Drahtlängen in dem Übergangsteil (56) angeordnet werden,

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die einjagige Wicklung (27) vor dem Aufkleben des MeJaIlstreifens (45) ein isolierendes Füllmittel (48) aufgebracht wird.

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