DE2256921A1 - Verfahren zur herstellung einer wicklung und nach diesem verfahren hergestellte wicklung - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie, Baden (Schweiz)

Verfahren zur Herstellung einer Wicklung und nach diesem Verfahren hergestellte Wicklung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer imprägnierten Wicklung, insbesondere einer aus supraleitendem Leitermaterial bestehenden Wicklung, die zur Erzeugung von elektromagnetischen Gleich- oder Weehselfeldern dient und die mit mindestens einem Kühlkanal zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmediums versehen ist, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte 7/icklung.

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Für die bisher gebauten, supraleitenden Hochfeldwicklungen mit Stromdichten von mehr als 10'000-15¹OOO A/cm , wie z.B. Experimentier-Solenoide, Strahlführungsoder Strahlfokussiermagnete wurden vorwiegend massive, dünne Drähte aus Uebergs-ngsmetall-Legierungen, wie NbZr oder NbTi, ummantelt mit einer dünnen Kupferschient, oder dann dünne Bänder, beschichtet mit der intermetallischen Verbindung Nb.,Sn verwendet.

Alle diese Magnetfelder erzeugenden Wicklungen zeigen in ihrem Betriebsverhalten jedoch Instabilitäten, bezeichnet als Degradations- und Trainingseffekte. Sie erreichen die an kurzen Drahtproben im transversalen Magnetfeld gemessenen kritischen Strom- und Feldwerte nicht, oder dann erst nach mehrmaligen Uebergängen vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand.

Es wurde erkannt, dass die Ursachen zu einem Teil in gekoppelten, thermischen und magnetischen Instabilitäten und zum andern Teil in Drahtbewegungsmöglichkeiten während dem Magnetfeldaufbau liegen. ·

Die erwähnten Supraleiter weisen zudem den Nachteil auf, dass sie bereits bei einer Frequenz von 1 Hz untragbar

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hohe Wechselfeldverluste aufweisen und z.B. für den Bau von Strahlführungsmagneten für Synchrotron-Beschleuniger ungeeignet sind.

Experimentelle und theoretische- Untersuchungen ergaben, dass sowohl die Instabilitäten, sogenannte Plussprung-Instabilitäten, als auch die Wechselfeldverluste stark vom Durchmesser der Supraleiter abhängen. Dies führte zu der Entwicklung von eigenstabilen Pilamentleitern, bestehend aus einer Vielzahl sehr dünner supraleitender Filamente, beispielweise aus NbTi bestehend, welche in eine normalleitende Matrix, beispielsweise aus Cu oder Al bestehend, eingebettet und mit dieser metallisch gut verbunden sind. Durch weitere Massnahmen wie z.B. Verdrillen der Filamente im Leiter und transponieren mehrer verdrillter Leiter werden die magnetischen Instabilitäten und die Verluste bei Wechselfeldern weiter reduziert.

Für ein stabiles und degradationsfreies Verhalten von Wechselfeld erzeugenden wicklungen genügt die Verwendung der beschriebenen Filamentleiter allein nicht. Untersuchungen und Erfahrungen zeigten, dass für die Konzeption solcher Wicklungen weitere, im folgenden

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-A-kurz beschriebene Bedingungen eingehalten werden müssen.

a) Instabilitäten mechanischer Art, hervorgerufen durch Leiterbewegungsmöglichkeiten müssen vermieden werden. Besitzt ein Leiter innerhalb der Wicklung die Möglichkeit, sich unter der Kraftwirkung des^veränderlichen Magnetfeldes zu bewegen, so kann er sich, infolge der erzeugten Reibungswärme oder infolge der sonst in Wärme umgesetzten kinetischen Energie so weit erwärmen, dass die kritische Temperatur des Supraleiters, eventuell unter Mithilfe thermisch ausgelöster Flussprünge, überschritten und die Wicklung teilweise oder ganz in den normalleitenden Zustand gebracht wird. Infolge der sehr tiefen spezifischen Wärme des Supraleiters und der stabilisierenden Matrix genügt für diesen Vorgang bereits eine sehr kleine Bewegung.

Es wurde versucht, diese Bewegungsmöglichkeit zu verhindern, indem lückenlose, mit hohem Leiterzug gewickelte Lagenwicklungen hergestellt wurden. Bei diesem Vorgehen wird der mechanische Spannungszustand im Leiter der bereits gewickelten Lagen infolge der leichten, plastischen Deformierbarkeit der

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beteiligten Isolierstoffe und dem elastischen Verhalten des Leiters und des stützenden Wicklungsträgers durch jede neu aufgebrachte Lage fortwährend geändert. An der -fertig gewickelten Wicklung sind auf diese Weise von der innersten Lage nach der äussersten Lage betrachtet fortschreitend Zonen mit Zugspannungen, ohne Spannungen, Druckspannungen ohne Spannungen und Zugspannungen im Leiter vorhanden. Gefährliche Zonen mit Leiterbewegungsmöglichkeiten sind dort vorhanden, wo '"ie mecha-nischen Spannungen im Leiter verschwunden sind. Eine mechanische Stabilität kann mit dieser Methode nicht gewährleistet werden.

Mehr Erfolg versprechend ist bekanntlich eine vollständige Imprägnation der Wicklung mit einem geeigneten Imprägniermittel wie z.B. einem Epoxy-Imprägnierharz. Bei geglückter Durchimprägnation sind sämtliche Zwischenräume ausgefüllt und bei guter Bindefähigkeit zwischen dem Hs.rz und den beteiligten Isolierstoffen sind die Windungen mechanisch fest miteinander verbunden.

Hierbei müssen aber folgende zum Teil sich wiedersprechende Bedingungen beachtet werden:

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cL) Die Kontraktion der beteiligten Materialien ist beim Abkühlen von Raumtemperatur auf Betriebstemperattir, d.h. auf 4 IC st'ark verschieden. Der Leiter, bestehend aus NbTi-Filamenten, eingebettet "

in Cu weist bei 4 IC eine Kontraktion von J\ JL/4-- ^

-5
-300 · 10 auf, ein reines Imprägnierharz hingegen

eine solche von Δ£,/<£■ * -600-1200 · 1O~⁵.

Nach dem Abkühlprozess hat sich dem durch das Wickeln entstandenen Spannungszustand eine zusätzliche, durch die verschiedene Kontraktion von Leiter und Harz bedingte Spannung geometrisch überlagert.■

Zudem bilden sich während dem Abkühlen vorübergehende, hohe Temperaturdifferenzen aus, was ebenfall's zu hohen mechanischen Spannungen im·- System führt. ■

Wird die Wicklung erregt, bilden sich infolge des Magnetfeldes, auf den stromführenden Leiter wirkende Kräfte, welche sich dem bestehenden Spannungszustand nochmals überlagern.

Ist das Imprägnierharz dieser Belastiingen nicht gewachsen, entstehen im Harze Risse, wobei die in Wärme umgesetzte, mechanische Spannungsenergie genügt j um die Wicklung in den normalleitenden

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Zustand zu treiben und wiederum Degradations- und Trainingseffekte auftreten.

Das Harz sollte deswegen in seinem Kontraktionsverhalten demjenigen des Leiters angepasst werden und es sollte im ausgehärteten Zustand "bei tiefen Temperaturen eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Dies ist prinzipiell möglich durch ein Füllen des Harzes mit geeigneten Füllmitteln.

Zur Erreichung einer hohen Stromdichte sind die Wicklungen sehr dicht und kompakt zu wickeln. Um eine vollständige Durchimprägnation zu erreichen, muss das Harz eine sehr niedrige Viskosität aufweisen. Leider wird diese durch ein Füllmittel stark heraufgesetzt, so dass eine vollständige Imprägnation gefährdet wird. Die feinen Kanäle und Spalte der Wicklung wirken zudem als Filter, so dass das Füllmittel gar nicht, oder nicht in der gewünschten Menge in die Wicklung eindringt.

b) Auch die besten bis heute bekannten Filameritleiter sind in periodischen V/echselfeld-Anwendungen nicht verlustfrei« Diese zeit- und feldabhängigen, in Wärme umgesetzten Verluste erhöhen die Temperatur der Wicklung. Infolge des

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funktionalen Zusammenhanges der kritischen Ströme, Felder und Temperaturen darf der Teinperaturzuwachs nicht mehr als etwa 0,2 K "betragen, da sonst eine unzulässig starke Absenkung der kritischen Stromdichte erfolgt. Dies verlangt eine intensive Kühlung des Wicklungsiiinern.

Eine weitere Notwendigkeit, die in der Wicklung entstandene Wärme möglichst gut abführen zu können, tritt bei einem Uebergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand auf. Dieser Uebergang beginnt in einem Punkte des Leiters durch Ueberschreiten des kritischen Zustandes des Supraleiters. Dieser weist dann eine Zone mit relativ hohem elektrischem Widerstand auf, so dass infolge des darin fliessenden Stromes eine Erwärmung auftritt, welche sich rasch ausbreitet und weitere Teile des Supraleiters normalleitend werden lässt. Dieser komplizierte thermische und elektromagnetische Vorgang ist abgeschlossen, wenn die gesamte Feldenergie in Wärme umgesetzt ist. Dabei können lokal hohe Temperaturen entstehen, welche zur Zerstörung der Wicklung führen können. Durch eine gute Wärmeverteilung und Wärmeabfuhr kann dieser Vorgang meistens nicht.gänzlich verhindert aber doch gedämpft und verzögert v/erden.

Die Imprägnation einer Wicklung wirkt infolge der ver-

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schiechterten Wärmeleitfähigkeit dieser Forderung entgegen.

Es wurde versucht, die Wärmeabfuhr mittels in die
Wicklung eingelegten und vom Kühlmedium durchflossenen Kühlrohren und damit verbundenen, gut wärmeleitfiihigen Kühlbleche zu verbessern. Diese wirken einwandfrei,
wenn sie in genügender Anzahl vorhanden und richtig
verteilt sind. Sie weisen aber die Nachteile auf, dass sie relativ viel Wickelraum beanspruchen, das heisst
die Stromdichte verringern und dass darin infolge des
Wechselfeldes zusätzliche Wirbelstromverluste.entstehen.

Es wurde versucht, diese Nachteile zu umgehen, indem
Gewebe, bestehend a.us dünnen, isolierten Kupferdrähten als Zwischenlagen so in die Wicklung eingelegt wurden, dass ihre randseitigen Enden hervorragen und von
flüssigem Helium umspült wurden. Diese Methode hat die Nachteile, dass die Impragnation wesentlich erschwert
wird und dass infolge der relativ dünnen und langen
Kupferdrähte dennoch ziemlich, hohe Temperaturgradienten auftreten.

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Eine weitere bekannte Methode besteht darin, zwischen den lagen in achsialer Richtung verlaufende Streifen so einzulegen, dass zwischen den Streifen von Helium durchströmte Kühlkanäle entstehen. Die erreichte Kühlwirkung ist gut, eine Imprägnation der Wicklung kann jedoch nicht durchgeführt werden.

c) Wie unter b) erwähnt, werden in allen metallischen Teilen, welche sich im Bereiche des Wechselfeldes befinden, '.Virb.elströme induziert und zusätzliche Verlustquellen erzeugt. Dies betrifft insbesondere Wicklungs-Tragstrukturen, Abstütz-Strukturen, grossdimensionierte Kuhlhilfen,, wie Rohre, Bleche etc. und aus Metall bestehende Kühlkanäle.- . ·

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung, einer Wicklung das die vorangehend angeführten Nachteile beseitigt.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man beim Wickeln der. Wicklung mindestens eine dem zu bildenden Kühlkanal entsprechende Einlage einlegt, Vielehe aus einem solchen Material besteht, dass sie nach der Fertigstellung der Wicklung und nach.Beendigung des

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Impragnationsprozesses oder einer thermischen Behandlung der Imprägnation mittels einem chemischen oder thermischen Verfahren wieder aus der Wicklung entfernt werden kann.

Es ist zv/eckmässig, wenn man Einlagen aus Woods-Metall verwendet, dessen Schmelzpunkt höher als die Imprägnations- und Aushärtetemperatur und tiefer als die Erweichungstemperatur des Imprägnationsmittels liegt.

Es ist vorteilhaft, wenn man zur Verbesserung der Wärmeabfuhr mindestens im Bereich der Kühlkanäle ein mit thermisch gut leitendem Material durchsetztes Imprägniermittel verwendet.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Wicklung aus supraleitendem Leitermaterial, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie -eine Mehrzahl von Kühlkanälen aufweist und dass zwischen je zwei benachbarten Kühlkanälen thermisch gut leitendes Material in die Imprägnationsmasse eingebettet ist, um die Wärme aus diesem Zwischenbereich in die benachbarten Kühlkanäle (18) abzuleiten.

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Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr ist es zweckmassig, wenn zwischen den Kühlkanälen angeordnete, thermisch gut leitendes Material aus einem durch dünne, mit einer elektrischen Isolation versehene thermisch gut leitende Drähte,zum Beispiel Cu oder Al-Drähte, gebildeten Gewebe oder Geflecht besteht.

Um die Wicklung auch gegen hohe Beanspruchungen sicher auszubilden, ist es vorteilhaft, wenn zwischen den aus elektrisch isoliertem Supraleiter gewickelten Lagen aus Verstärkungsfasern bestehende Zwischenlagen von solcher Art und Materialbeschaffenheit eingelegt sind, dass diese zusammen mit dem Imprägniermittel ein wirbelstromfreies, mechanisch hochfestes System bilden, dessen Kontraktion bei Betriebstempera.tür derjenigen des Supraleiters entspricht. Dabei ist es zweckmässig, wenn die Zwischenlagen aus Geweben, vorzugsweise Glasfasergeweben oder Geflechten bestehen. Um die Wärmeabfuhr zu verbessern, ist es dabei vorteilhaft, wenn die Zwischenlagen mit thermisch gut leitendem Material wie Metall beispielsweise Cu oder Al oder Graphitpulver beschichtet sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Metallbeschichtung zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten in magnetischen Wechselfeldern einen, relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist, indem sie

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"beispielsweise in schmale, parallel oder mäanderfb'rmige, durch enge Zwischenräume voneinander getrennte Streifen aufgebracht ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen;

Fig.l ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Wicklung;

Fig.2 einen Schnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform einer erfinduhgsgemassen Wicklung,

Fig.3 einen Schnitt längs der Linie III~III in Figur 2,

Fig.4 bis 6 verschiedene Schnitte durch eine beispielsweise Ausfuhrungsform einer erfindungsgemässen Wicklung;

Fig.7 einen Schnitt längs der Linie VlI-VII in Figur 8 durch eine beispielsweise Aus fiihrungs form einer erfindungsgemässen supraleitenden Quadrupolwicklung;

Fig.8 eine Stirnansicht auf die in Figur 7 dargestellte Wicklung;

Fig.9 einen Grundriss der in den Figuren 7 und 8 dargestellten Wicklung; und

Fig.IO einen Schnitt durch eine weitere beispielsweise Ausführungsform einer in einem geschlossenen Kühlkreislauf angeordneten erfindungsgemässen Wicklung.

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In Figur 1 ist eine, für die Imprägnation vorbereitete, supraleitende Wicklung in einer Kokille geneigt.

Die Kokille "besteht in diesem Beispiel aus zwei inneren teilbaren Kokillenhälften 1 und 2, in welche vor dem Wickeln der Wicklung die Randseheiben 3 und 4 und die Stützhülsen 5 und 6 eingelegt werden. Nach Beendigung des Wickelprqzesses wird die aus einem' Gewebeband bestehende Bandage 7 angebracht und die Kokille mit den beiden äusser'en Kokillenhälften 8 und 9 geschlossen. PUr einen vakuumdichten Verschluss sorgen die Dichtungen 10. ·.

Pur sehr dichte Wicklungen mit dünnen Supraleitern 11 von ca, Oj4~Oj5 mm Durchmesser erfolgt die Imprägnation mit einem niederviskosen Imprägniermittel am vorteilhaftesten in der beschriebenen, geschlossenen Kokille. Nach einem mehrstündigen Evakuieren bei erhöhter Temperatur wird das Imprägniermittel durch das Einlassrohr eingelassen, mittels der Ringnut 14 über.den Umfang der Wicklung verteilt und unter Anwendung eines erhöhten Druckes durch die Wicklung gepresst, bis es gasblasenfrei durch das Auslassrohr · 15 ausströmt. Durch Abschliessen des Auslassrohres kann das Imprägniermittel einem

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hohen statischen Druck unterworfen werden, wodurch es in die feinsten Poren der Wicklung eindringt.

Zur Erleichterung oder Ermöglichung einer vollständigen JDurchimpragnierung der Wicklung wird vorteilhaft ein niederviskoses, ungefülltes Imprägniermittel von solcher Art verwendet, dass das System Imprägniermittel und Material der Zwischenlagen 12 ein Kontraktionsverhalten aufweist, welches an dasjenige des Supraleiters 11 angepasst ist. Dies kann beispielsweise mit einem System eines ausgewählten Epoxyharzes gefüllt mit 60-70 VoI <fo geschichtetem Glasseidengewebe erreicht werden. Mit diesem System wird gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit erreicht, welche derjenigen eines hochlegierten Stahles entspricht, so dass es als mechanische Verstärkung des Wicklungskörpers wirkt.

Die Randscheiben 3 und 4 sind mit radial angeordneten Schlitzen 16 versehen, durch welche die Einlagen 17 bis an den Kokilleninnenrand geführt sind, und welche zusammen mit der Ringnut 14 Durchlassöffnungen für das.Imprägnierharz bilden. Das Material dieser vorfabrizierten Randscheiben besteht ebenfalls aus einem System von dicht gepresstem Gewebe, z.B. Glasseidengewebe, und einem ausge-

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härteten Imprägnierharz, wie z.B. einem Epoxyharz dessen Kontraktionsverhalten an dasjenige des Supraleiters angepasst ist.

Die Stützhülsen 5 und 6 bestehen aus demselben Materialsystem wie die Randscheiben 3 und 4. Sie dienen zur Einhaltung der genauen, zylindrischen Innengeometrie der Wicklung und als mechanische Verstärkung,

Die auf dem Aussenumfang der Wicklung angeordnete Bandage besteht aus demselben Glasseidengewebe wie die Zwischenlagen 12 und dient ebenfalls zur mechanischen Verstärkung des Wicklungskörpers.

Im allgemeinen entstehen auf der Aussenseite der Wicklung immer irgendwelche Hohlräume, im erwähnten Beispiel in den Ringnuten 14 und in den Schlitzen 16, welche sich mit reinem Imprägniermittel füllen würden. Zur Vermeidung von Rissen ist es vorteilhaft, direkt anschliessend an die Imprägnation stark gefülltes Imprägniermittel nachzupressen, so dass das reine Imprägniermittel'aus den Hohlräumen verdrängt wird und 'sich dort das Füllmaterial anlagert. Bei Verwendung von geeignetem Füllmaterial wird

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auch an diesen Stellen eine Anpassung an das Kontraktionsverhalten des Supraleiters erreicht.

Bei einfachen Wicklungsgeometrien und bei der Verwendung von Supraleitern mit grösserem Durchmesser kann das Imprägnierverfahren vereinfacht werden, indem die äusseren Kokillenhälften 8 und 9 weggelassen und die Wicklung im evakuierten Zustand in einem Tauchverfahren und eventuell unter Anwendung eines höheren Druckes im Imprägniermittel imprägniert wird.

Die Wicklung in Figur 1 ist wie folgt aufgebaut; Nach jeder, mit dem isolierten Supraleiter 11 fertig gewickelten Lage wird eine Zwischenlage 12 bündig anstossend an die Randscheiben 3 und 4 in einer oder mehreren Windungen eingelegt und die nächste Leiterlage mit hohem Drahtzug darübergewickelt. Diese Zwischenlagen, bestehend aus einem hochreissfesten Gewebe, wie z.B. Glasseidengewebe, werden vor oder nach dem Einlegen mit einer Schicht oder einem Belag versehen, durch welchen die thermische Leitfähigkeit der Zwischenlage im imprägnierten und ausgehärteten Zustand erhöht wird. Dies kann geschehen, indem das Gewebe mit einem thermisch gut leitenden Pulver oder Kehl, beispielsweise mit einem Graphitrnehl oder mit einem metallischen Pulver beidseitig, ganzflächig oder teilweise

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bestäubt oder mit Hilfe eines. Bindemittelsbeschichtet wird, oder indem das Gewebe ganzflächig oder teilweise ■■ mit dünnen Metallschichten versehen wird.

Diese Metallschichten können durch ein Metallspritzverfahren, durch Aufdampfen, durch ein chemisches Verfahren oder durch andere, geeignete Methoden aufgebracht werden. Diese Schichten müssen zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten im magnetischen Wechselfeld einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Dies kann erreicht werden, indem die Schicht z.B. in schmalen, parallel oder mäanderförmig verlaufenden, durch enge Zwischenräume voneinander getrennten Streifen so angeordnet wird, dass sich keine geschlossene elektrische Strompfade bilden. - .- >

Die Zwischenlagen können bereits vor dem Einlegen in die Wicklung mit einem geeigneten Imprägniermittel imprägniert werden, welches nur angetrocknet aber nicht ausgehärtet oder aber auch ausgehärtet wird.- Das thermisch gut leitende Pulver kann dabei als Füllmittel in;das Imprägniermittel und mit.diesem- zusammen auf das Zwischenlagengewebe gebracht werden, oder es können die oben beschriebenen Methoden angewendet werden. ·

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Vorimprägnierte, aber nicht ausgehärtete Zwischenlagen haben den Vorteil, dass das Imprägniermittel bereits während dem Wickeln an Ort und Stelle gebracht wird, so dass der oben beschriebene Impragnierprozess er~ leichtert oder gar hinfällig wird.

Die Verwendung der Zwischenlagen verbessert nicht nur die thermische Leitfähigkeit in der Wicklung, sondern wirkt auch als mechanische Armierung der Wicklung, so dass eine Verstärkung des Leiters oder der Wicklung mit rostfreien, antimagnetischen Stahl-Einlagen in vielen Fällen vermieden werden kann. Alle beteiligten Materialien sind in ihrem Kontraktionsverhalten demjenigen des Supraleiters angepasst gewählt, so dass bei Betriebstemperatur dadurch keine zusätzlichen mechanischen Spannungen entstehen.

Zur Erreichung hoher Stromdichten von 30'000-5O¹OOO A/cm werden vorteilhaft vorimprägnierte Glasgewebe von ca. 50 pia Dicke gewählt.

Die Einlagen 17 v/erden zur Bildung der Kühlkanäle in gewünschter Dimension, Anzahl und Anordnung auf die fertig gewickelten Leiterlagen so eingelegt, dass ihre Enden den

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inneren Kokillenrand berühren. Im Beispiel in der Figur werden sie zu diesem Zweck durch die radialen Schlitze 16 der Randscheiben. 3 und 4 hindurchgeführt.

Die erwähnten Einlagen 17 bestehen aus einem Material, \velches nach dem Ausformen der fertig imprägnierten Wicklung aus der Kokille auf chemischem Wege oder durch Ausschmelzen entfernt werden können.

In den Figuren 2 und 3 ist eine fertig imprägnierte Wicklung mit entfernten Einlagen dargestellt. Die Einlagen können aus einem niedrig schmelzenden Metall,- wie beispielsweise Woods-Metall bestehen, dessen Schmelzpunkt höher liegt als die Imprägnier- und Aushärtetempe-raturen und tiefer liegt, als der Erweichungspunkt des verwendeten Imprägniermittels. Die Wicklung wird nach dem Ausformen bis zum Schmelzen der Einlagen erwärmt, so dass das flüssige Metall ausflieset oder mit einem erhitzten Gas, beispielsweise Stickstoff, herausgepresst werden kann. Eventuell vorhandene, dünne Harzschichten vor den Kanalöffnungen werden vor diesem Vorgang mecha-niseh entfernt. · . .

Auf diese Art und Weise entstehen durchgehend offene Kühlkanäle 18, durch welche das kühlende Medium, beispiels-

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weise flüssiges oder gasförmiges Helium, fliessen kann, um die Wicklung auf Betriebstemperatur abzukühlen und die im Betrieb permanent oder vorübergehend erzeugten Wechselfeldverluste wegzuführen. Infolge der Anordnung der Kühlkanäle erfolgt die Abkühlung der Wicklungsmasse gleichmässig und mit kleinen auftretenden Temperaturgradienten, so da.ss relativ kleine mechanische Spannungen entstehen, Infolge der grossen, wirksamen Wärmeausta/uschflächen in den Kanälen erfolgt die Abkühlung rasch und unter guter Ausnützung der Enthalpie des Kühlmediums.

Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, können Dimensionen, Anzahl und Anordnung der Kühlkanäle frei gewählt und den Bedürfnissen gut angepasst werden.

Die Wirkung der Kühlkanäle kann da.durch verbessert v/erden, dass je zwei in einer Lage benachbarte Kanäle durch thermisch gut leitende Kühlhilfen 19 verbunden werden. Zur Vermeidung von hohen WirbelStromverlusten bestehen diese Kühlhilfen vorzugsweise aus einem Geflecht oder Gewebe aus dünnen, thermisch gut leitenden Metalldrähten wie z.B. aus Kupfer oder Aluminium. Damit keine geschlossenen Stromschleifen entstehen können, sind diese Metalldrähte einzeln isoliert.

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In den Figuren 4 "bis 6 sind. Schnitte durch eine "beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wicklung dargestellt. . ■

Die Wicklung wird beispielsweise mit einem Supraleiter von. rechteckförraigem Querschnitt und versehen mit einer elektrischen Isolation 21 lagenförmig gewickelt. Nach jeder fertig gewickelten Lage wird eine oben beschriebene Zwischenlage 12 eingelegt und die nächste Leiterlage gewickelt. -

In.den gewünschten Intervallen werden ICühllagen eingelegt, abwechslungsvieise bestehend aus den Kühlhilfen 19 und den Kühlkanälen 18 bildenden Einlagen, In.diesen Figuren 4- bis 6 sind diese Einlagen bereits entfernt gedacht. In Figur 5 ist eine solche Kühllage in der Draufsicht gezeichnet. Zur Erzeugung, kleiner Wärmeübergangs-Widerstände sind die Kühlhilfen so angeordnet, dass ihre seitlichen Begrenzungen die Einlagen berühren. Je nach Notwendigkeit und Bedarf können die Kühllagen mit oder ohne zusätzliche Zwischenlagen 12 ausgerüstet'werden.

Entsteht in einem Punkte der Wicklung eine Wärmequelle, beispielsweise infolge der Wechselfeldverluste oder infolge

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eines normalleitend gewordenen Leiterabschnittes, so wird die erzeugte Wärme infolge der erhöhten Wärmeleitfähigkeiten der Zwisohenlagen und Kühlhilfen gleichmässiger verteilt und rascher an die gekühlten Oberflächen der Kühlkanäle geführt. Durch geeignete Dimensionierung und Anordnung der wärmeleitenden und kühlenden Elemente können die entstehenden Temperaturerhöhungen in den gewünschten Grenzen gehalten werden*

In den Figuren 7 bis 9 ist eine mögliche Anwendung des erfindungsgemassen Verfahrens zur Herstellung von Kühlkanälen in einer supraleitenden Quadrupolwicklung 22 dargestellt. Zur Verdeutlichung ist aus einer Kühlläge nur ein einziger Kühlkanal schräg schraffiert eingezeichnet. Die Darstellung zeigt, dass die Einlage 17, zwecks späterer Bildung eines durchgehend offenen Kühlkanales, ohne Schwierigkeiten auch komplizierteren Wicklungsformen angepasst werden kann.

Supraleitende Wicklungen wurden bis anhin vorwiegend in einem Bad von flüssigem Helium bei Atmosphärendruck gekühlt. Es war dabei vorteilhaft, die Kühlkanäle in einer vertikalen Lage anzuordnen, um die Thermosyphonwirkung auszunutzen. Die Kühlkanaldicken dürften dabei ein Hass

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von ca. 0,4mm nicht unterschreiten, um die Zirkulation des flüssigen Heliums durch festgehaltene Dampfblasen nicht zu verhindern.

Für grössere supraleitende Wicklungen bietet eine forcierte Kühlung mittels einem geschlossenen Kältekreislauf verschiedene Vorteile. Prinzipiell wird dabei das Kühlmedium in einer Kältemaschine unter Druck auf die Betriebstemperatur abgekühlt, durch die Wicklung bei gewünschtem Druck gepresst und um ca. 1 K erwärmt in ■-die Wärmeaustauscher der Kühlmaschine zurückgeführt.

Im wesentlichen wurden dabei folgende Vorteile erreicht:

~ Der Kyrostataufbau wird erleichtert, da für die Wicklung nur ein einziger Hochvakuum-Raum und keine Zwischengafässe benötigt wird.

- Die Kühlung kann mittels Kühlkanal-Geometrie und -Anordnung sowie mittels Druck und Durchflussmenge weitgehend den Verhältnissen und Anforderungen angepasst ' werden.

- Bei Verwendung von überkritischem Helium kann eine ungünstige Zweiphasen-Strömung vermieden und eine gleichmassige, vorausbestimmbare Kühlung erreicht werden.

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- Betriebsbedingungen und Betriebskosten für einen Dauerbetrieb werden verbessert.

Die Verwendung von Wicklungen versehen mit den erfindungsgeraäss hergestellten Kühlkanälen bietet dabei den Vorteil, dass ihre Durchlässe sehr klein und damit die Wärmeaustauschfläche gross gewählt werden kann, und dass ihre Form und Verteilung weitgehend frei bestimmbar sind, sodass eine intensiv wirkende Kühlung erreicht wird.

Ein Beispiel über die Anordnung und den Aufbau einer Wicklung gekühlt in einem geschlossenen Kreislauf ist aus Figur IO ersichtlich. Das kühlende Medium tritt mit den gewünschten Temperatur-, Druck- und I.Iengendaten durch die Einlassleitung 23 in den Eingangsverteiler ein, verteilt sich dort in die Kühlkanäle 18, durchströmt diese, wird im Ausgangssammler 25 wieder vereinigt und durch die Auslassleitung 26 zurück in die Kälteanlage geleitet. Infolge der parallel geschalteten Kühlkanäle kann wegen der grossen Anzahl Kanäle der gesamte Druckabfall des Kühlmediums, trotz kleinen Durchlassöffnungen, in kleinen Grenzen gehalten v/erden und die Enthalpie des Kühlraediums wirksam ausgenützt werden.

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Durcli geeignete Form und Anordnung der Kühlkanäle, sowie der Eingangsverteiler und Ausgangssammler können die Kühlkanäle in beliebigen Kombinationen strömungsmässig parallel oder hintereinander geschaltet werden.

Zur Verrneidung von Wirbelstromverlusten in Wechselfeldern werden die Eingangsverteiler 24 und Ausgangssammler; 25 mit Vorteil aus einem, stark mit Gewebe öder Fasern gefüllten Kunstharz hergestellt und in einem geeigneten Verfahren mit dem V/icklungskÖrpervakuuni~ dicht und druckfest verbunden.

Claims (17)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung einer imprägnierten Wicklung, insbesondere einer aus supraleitendem Leitermaterial bestehenden 7/icklung, die zur Erzeugung von elektromagnetischen Gleich- oder Wechselfeldern dient und die mit mindestens einem Kühlkanal zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmediums versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass man beim Wickeln der Wicklung mindestens eine dem zu bildenden Kühlkanal entsprechende Einlage einlegt, welche aus einem solchen Material besteht, dass sie nach der Fertigstellung der Wicklung und nach Beendigung des Imprägnationsprozesses oder einer thermischen Behandlung der Imprägnation mittels einem chemischen oder thermischen Verfahren wieder aus der Wicklung entfernt werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Einlagen aus Woods-Metall verwendet, dessen Schmelzpunkt höher als die Imprägnations- und Aushärtetemperatur und tiefer als die Erweichungstemperatur des Imprägnationsmittels liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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OWGINAL INSPECTfD

dass man zwischen die mit dem elektrisch isolierten Supraleiter gewickelten Lagen aus Verstärkungsfasern • bestehende Zwischenlagen von solcher Art und Materialbeschaffenheit legt, dass diese zusammen mit dem Imprägniermittel ein wirbelstromfreies, mechanisch hochfestes System bilden, dessen Kontraktion bei ' Betriebstemperatur derjenigen des Supraleiters entspricht. ■'·-"■

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man aus Geweben insbesondere Glasfasergeweben oder Geflechten bestehende Zwischenlagen verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet,

dass man mit thermisch gut leitendem Metall beschichtete Zwischenlagen verwendet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man Zwischenlagen verwendet, bei denen die Metallbeschichtung zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten in magnetischen Wechselfeldern einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist, indem sie beispielsweise in schmalen, parallelen oder mäanderförmigen, durch enge Zwischenräume voneinander getrennten Streifen aufgebracht ist. .

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7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, .dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens im Bereich der Kühlkanäle ein mit thermisch gut leitendem Material durchsetztes Imprägniermittel verwendet·

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man zwischen je zwei benachbarten Kühlkanälen mindestens eine thermisch gut leitende Einlage anordnet, derart, dass sie sich bis in den Wandungsbereich der beiden Kühlkanäle oder in dieselbe hinein erstreckt.

9· Verfahren nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, dass man die aus Verstärkungsfasern bestehenden Zwischenlagen vor dem Einlegen in die Wicklung mit dem Imprägniermittel, vorzugsweise mit einem Epoxyimprägnierharz durchtränkt aber nicht aushärtet und anschliessend mit Pulver oder Folien aus thermisch gut leitendem Material belegt.

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10. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die aus Verstärkungsfasern bestehenden Zwischenlagen vor ihrem Einlegen in die

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. Wicklung mit einem mit Pulver aus thermisch gut leitendem Material durchsetzten Imprägniermittel, vorzugsweise einem Epoxyinrprägnierharz, durchtränkt. ■

11. Wicklung aus supraleitendem Leitermaterial, hergestellt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _y dass sie eine Hehrzahl von Kühlkanälen (18) auf- . weist, und dass "zwischen je zwei benachbarten Eühlkanäleii (18) thermisch gut leitendes Material (19) in die' Imprägnationsmasse ei-ngebettet ist, um die Wärme" aus diesem Zwischenbereich in die benachbarten Kühlkanäle (18) abzuleiten,

12. Ϋ/icklung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen den Kühlkanälen (18) angeordnete, thermisch gut leitende Material.aus einem durch dünne mit einer elektrischen.Isolation versehene thermisch gut leitende Drähte zum Beispiel Cu oder Al-Drähte gebildeten Gewebe oder Geflecht (19) besteht. .

13. Wicklung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, . dass zwischen den aus elektrisch isoliertem Supraleiter gewickelten Lagen aus Verstärkungsfasern bestehende Zwischenlagen (12) von solcher Art und

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Materialbeschaffenheit eingelegt sind, dass diese zusammen mit dem Imprägniermittel ein wirbelstromfreies, mechanisch hochfestes System bilden, dessen Kontraktion bei Betriebstemperatur derjenigen des Supraleiters entspricht. ·

14. Wicklung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen (12) aus Geweben, vorzugsweise Glasfasergeweben oder Geflechten bestehen.

15· Wicklung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen (12) mit thermisch gut leitendem Material wie Metall beispielsweise Cu oder Al oder Graphitpulver beschichtet sind.

16. Wicklung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten in magnetischen Wechselfeldern einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist, indem sie beispielsweise in schmale, parallel oder mäanderförmige, durch enge Zwischenräume voneinander getrennte Streifen aufgebracht ist.

17. Wicklung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11

409816/0681

bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnationsmasse mindestens im Bereich der Kuhlkanäle (18) mit einem Pulver aus thermisch gut leitendem Material, "beispielsweise Graphit- oder Metallpulver durchsetzt ist. ·

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

9-8 16/068 1

S3

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