DE1279182B - Supraleitungsspule - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIf

HOIv

Deutsche Kl.: 21g-1/02

Nummer: 1279 182

Aktenzeichen: P 12 79 182.1-33 (S 99383)

Anmeldetag: 11. September 1965

Auslegetag: 3. Oktober 1968

Supraleitungsspulen können insbesondere zur Erzeugung starker Magnetfelder verwendet werden. Supraleitungsspulen mit Wicklungen von größerer Drahtlänge zeigen die Eigenschaft, daß sie bei Magnetfeldern gleicher Stärke einen kleineren kritischen Strom besitzen als eine kurze Drahtprobe. Sie gehen daher bereits bei einer kleineren Stromstärke in den normalleitenden Zustand über als eine kurze Drahtprobe in einem gleichstarken Magnetfeld. Dieser Effekt wird als Stromdegradation bezeichnet. Die Stromdegradation vergrößert den Aufwand an supraleitendem Material zur Erzielung bestimmter Magnetfeldstärken und erhöht damit merklich den wirtschaftlichen Aufwand für Supraleitungsmagnete. Der Effekt beruht vornehmlich auf einer schlechten Abfuhr der beim Erregen der Spule im Wicklungspaket entstehenden Wärme. Dadurch kann der Supraleiter stellenweise über seine kritische Temperatur erwärmt werden und in den normalleitenden Zustand übergehen, was zum vorzeitigen Zusammenbruch des ao supraleitenden Stromes führt.

Der Degradationseffekt kann bekanntermaßen dadurch vermindert werden, daß man den die Wicklung bildenden Supraleiter mit einem Mantel aus gut leitendem Metall überzieht, das beim Betrieb der Spule normalleitend bleibt, beispielsweise mit einem Mantel aus Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold. Zur weiteren Verminderung des Degradationseffektes wurde vorgeschlagen, die einzelnen Lagen der Spulenwicklung mit gut wärmeleitenden Folien Vorzugsweise aus Metallen von hoher Reinheit, wie beispielsweise reinem Kupfer, Silber oder Aluminium, zu umgeben, wobei die Folien mit den Wicklungslagen und dem zur Kühlung der Spule auf Kryotemperaturen notwendigen Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehen. Durch derartige Folien wird eine gute Wärmeabfuhr aus dem Wicklungspaket der Supraleitungsspule erzielt, ohne daß der Packungsfaktor der Spule wesentlich verschlechtert wird. Zur Erzielung eines guten Wärmekontaktes zwischen den Folien und dem Kühlmittel ist es jedoch erforderlich, daß die gut wärmeleitenden Folien breiter als die Lagen der Spulenwicklung sind, also seitlich über die Spulenwicklung hinausstehen. Läßt man die Folien seitlich auf ihrem ganzen Umfang aus dem Wickelpaket herausstehen, so berührt die Spulenwicklung selbst nicht mehr die Seitenwände des die Wicklung tragenden Spulenkörpers und wird somit durch diesen nicht mehr seitlich gestützt. Die einfache Wickeltechnik, wie sie bei Spulen mit stabilen seitlichen Begrenzungswänden angewendet werden kann, ist bei solchen Spulen nicht möglich.

Supraleitungsspule

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Günther Bogner, 8521 Tennenlohe

Es besteht daher die Aufgabe, eine Spulenkonstruktion anzugeben, bei der die Spulenwicklung durch stabile seitliche Begrenzungsmittel gestützt und gleichzeitig eine gute Kühlung der Wicklung durch Kühlfolien erreicht wird.

Durch die vorliegende Erfindung wird diese Aufgabe gelöst. Die Erfindung betrifft eine Spule mit einer auf einen Spulenkörper gewickelten supraleitenden Wicklung und mit gut wärmeleitenden, zwischen den Lagen der Wicklung angeordneten Folien, die mit den Wicklungslagen selbst und mit einem Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehen.

Die Erfindung besteht darin, daß zwischen der Wicklung der Spule und wenigstens einer der beiden Seitenwände des die Wicklung tragenden Spulenkörpers gegen die Wicklung und die Folien isolierte Distanzkörper in Abständen voneinander vorgesehen sind und daß die Folien fahnenförmige, über die seitliche Begrenzung der Wicklung hinausstehende Fortsätze besitzen, die in die beim Betrieb der Spule von Kühlmittel erfüllten Zwischenräume zwischen den einzelnen Distanzkörpern hineinragen.

Bei einfachen Zylinderspulen wird man normalerweise zwischen beiden Seitenwänden des Spulenkörpers und der Wicklung Distanzkörper und fahnenförmige Fortsätze der wärmeleitenden Folien vorsehen. Bei Spulen mit schmalen Wicklungen, bei welchen eine einseitige Kühlung ausreicht, oder bei Spulen, bei denen es beispielsweise aus Gründen der Materialersparnis erforderlich ist, kann es jedoch vorteilhaft sein, Distanzkörper und fahnenförmige Fortsätze nur an einer Seite der Wicklung vorzusehen und die andere Seite der Wicklung direkt an die benachbarte Seitenwand des Spulenkörpers angrenzen zu lassen. Dies ist beispielsweise der Fall bei zusammengesetzten Scheibenspulen, bei geteilten Spulen in Helmholtzanordnung oder bei sattelartig geformten Spulen, die z. B. das Rohr eines magnetohydrodynamischen Generators eng umschließen sollen.

Die zwischen den Seitenwänden des Spulenkörpers und der Wicklung vorgesehenen Distanzkörper bil-

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den eine stabile seitliche Begrenzung des Wickelpaketes. Die erfindungsgemäße Spule besitzt daher den Vorteil, daß das Wickelpaket einfach und schnell hergestellt werden kann. Insbesondere können maschinelle Wickelverfahren Anwendung finden. Ferner bleibt das Wickelpaket auch beim Betrieb der Spule stabil und in sich fixiert. Dies ist gerade für die Leistungsfähigkeit einer Supraleitungsspule von ausschlaggebender Bedeutung, da z. B. lose Windungen zu einer zusätzlichen Stromdegradation und zu Trainingserscheinungen führen können. Durch die Distanzkörper können ferner auf das Wickelpaket wirkende Kräfte aufgenommen werden, die beispielsweise bei Anordnungen aus zwei oder mehreren Spulen zur Erzielung bestimmter Feldkonfigurationen oder zwischen ferromagnetischen Stoffen und Spulen auftreten. Ebenso werden die bei bestimmten Spulenformen innerhalb der Spulenwicklung selbst nach außen wirkenden Kräfte durch die Distanzkörper aufgenommen und auf den stabilen Spulenkörper ao übertragen. Die vorliegende Erfindung erlaubt somit eine robuste und stabile Ausführung der Supraleitungsspule.

Gleichzeitig wird durch die zwischen den Wicklungslagen liegenden Folien, deren fahnenförmige Fortsätze in die Zwischenräume zwischen den Distanzkörpern hineinragen, eine gute innere Kühlung des Wickelpaketes ohne wesentliche Verschlechterung des Packungsfaktors der Wicklung erzielt. Bei der Spule gemäß der vorliegenden Erfindung sind somit die Vorteile einer guten mechanischen Stabilität und einer einfachen Herstellbarkeit der Wicklung mit den Vorteilen einer guten Kühlung des Wickelpaketes und einer starken Herabsetzung der Stromdegradation vereinigt.

Die Konstruktionsprinzipien der erfindungsgemäßen Spule können bei Spulen verschiedenartiger Form Anwendung finden, beispielsweise bei Spulen mit zylinderförmiger Wicklung, die etwa zur Erzeugung homogener Magnetfelder in Richtung der Spulenachse dienen, oder bei Spulen mit ring- oder sattelartig geformten Wicklungen, die insbesondere bei magnetohydrodynamischen Generatoren Anwendung finden können. Unter den Seitenwänden des die Wicklung tragenden Spulenkörpers sind bei den verschiedenen Spulenformen diejenigen die Wicklung umgebenden Wände des Spulenkörpers zu verstehen, deren Flächen nicht parallel oder konzentrisch zu den Flächen verlaufen, die durch die Lagen der Wicklung gebildet werden. In vielen Fällen, beispielsweise bei Zylinderspulen, verlaufen die Seitenwände des Spulenkörpers senkrecht zu den durch die Wicklungslagen gebildeten Flächen.

Die Distanzkörper sind gegenüber der Wicklung und den Kühlfolien isoliert, um Kurzschlüsse zwisehen diesen leitenden Teilen der Spule über die Distanzkörper zu vermeiden. Sie bestehen vorzugsweise selbst aus einem Isolationsmaterial von großer Festigkeit, wie beispielsweise Hartgewebe, Polyesterharz mit Glasfiber, Epoxydharz, Polyäthylenterephthalat oder ähnlichen Stoffen. Die Distanzkörper werden vor dem Aufbringen der Wicklung an dem Spulenkörper befestigt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Distanzkörper auf die Seitenwände des Spulenkörpers aufzukleben, der aus Metall, insbesondere Stahl, oder einem festen Kunststoff bestehen kann. Die Distanzkörper müssen jedoch nicht selbständige Bauteile sein, sondern können auch Teile der Seitenwände des Spulenkörpers selbst sein. Sie besitzen dann die Form von Vorsprüngen in den Wänden des Spulenkörpers, die durch Vertiefungen, die zur Aufnahme der fahnenförmigen Fortsätze der Kühlfolien bestimmt sind, voneinander getrennt sind. Solche Vertiefungen können beispielsweise in ausreichend dicke Seitenwände von Spulenkörpern aus Metall oder Kunststoff eingefräst werden, so daß zwischen den Vertiefungen die Distanzkörper stehenbleiben. Metallische Distanzkörper müssen durch geeignete Isolationsfolien gegenüber der Spulenwicklung und den Kühlfolien isoliert werden. Bei Distanzkörpern, die aus Isolationsmaterial bestehen, ist eine zusätzliche Isolierung nicht erforderlich.

Um eine gleichmäßige Kühlung der gesamten Spulenwicklung zu erzielen, werden die Distanzkörper vorteilhaft in gleichmäßigen Abständen entlang der Seitenwände des Spulenkörpers angeordnet. Durch geeignete Formgebung der seitlichen Begrenzungsflächen zu den für die fahnenförmigen Fortsätze der Kühlfolien vorgesehenen Zwischenräumen können die Distanzkörper den wickeltechnischen Erfordernissen angepaßt werden. Die seitlichen Begrenzungsflächen sind vorzugsweise so ausgebildet, daß ein leichtes Einlegen der Folien zwischen die Lagen der Spulenwicklung möglich ist. Bei Zylinderspulen können die Distanzkörper beispielsweise die Form von Kreissektoren haben oder so ausgebildet sein, daß der Verlauf ihrer seitlichen Begrenzungsflächen der Evolvente des Wickelkreises der innersten Wicklungslage entspricht, welcher unter allen Wickelkreisen den kleinsten Radius besitzt. Die Evolventenbegrenzung kann auch durch einen Kreisbogen von geeignetem Radius angenähert werden. .

Die Kühlfolien bestehen, aus gut wärmeleitenden Metallen, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Silber. Die einzelnen Folien werden bei der erfindungsgemäßen Spule im allgemeinen innerhalb des Wickelpaketes in Form von ringförmig geschlossenen Flächen, also mit überlappenden Enden, angeordnet, damit sie im Fall eines Normalwerdens der Spule die Feldenergie übernehmen und gleichmäßig über die Spule verteilen können. Bei Zylinderspulen haben derart angeordnete Kühlfolien die Form von geschlossenen Zylindern. Die Dicke der Kühlfolien ist abhängig vom Querschnitt des für die Spulenwicklung verwendeten Supraleiters und der Feldenergie der Spule. Die Folien sollen nicht zu dünn sein, da sie eine gute Wärmeableitung aus der Spulenwicklung ermöglichen sollen und bei Übernahme der Feldenergie nicht zu hohe Temperaturen annehmen sollen, damit eine Zerstörung der Spule beim Normalwerden der supraleitenden Wicklung vermieden wird. Andererseits sollen die Folien nicht zu dick sein, damit der Packungsfaktor der Spule nicht zu sehr verschlechtert wird. Für einen handelsüblichen supraleitenden Draht von 0,25 mm Durchmesser hat sich eine Foliendicke in der Größenordnung von etwa 10 bis 50 μ als vorteilhaft erwiesen. Für Supraleiter größerer Durchmesser sind entsprechend dickere Folien notwendig. Bei Verwendung eines Kabels aus sieben Supraleiterdrähten von je 0,25 mm Durchmesser für die Spulenwicklung erwies sich beispielsweise eine Foliendicke von etwa 50 bis 100 μ als vorteilhaft. Für die Folien wird vorzugsweise hochreines Metall verwendet, damit ihr elektrischer Widerstand bei den tiefen Betriebstemperaturen der Spule möglichst gering ist.

Soll beim Betrieb der Supraleitspule die beim Übergang in den normalleitenden Zustand frei werdende magnetische Feldenergie nicht an die Folien abgegeben, sondern in eine äußere Last, beispielsweise einen Widerstand oder einen Kondensator, gekoppelt werden, so dürfen die zwischen den Wicklungslagen befindlichen Kühlfolien keine ringförmig geschlossenen Flächen bilden. Bei Spulen, die in dieser Weise betrieben werden sollen, können daher an Stelle der in sich geschlossenen Folien streifenförmige, voneinander getrennte Kühlfolien vorgesehen werden, deren über das Wickelpaket hinausstehende fahnenförmige Fortsätze in die Zwischenräume zwischen den Distanzkörpern hineinragen, oder die Folien können so eingelegt werden, daß sich ihre Enden nicht überlappen.

Besonders vorteilhaft ist es, bei der erfindungsgemäßen Spule die Kühlfolien mit beispielsweise rechteckförmigen Schlitzen zu versehen, die, von den fahnenförmigen Fortsätzen ausgehend, sich etwa bis zur Mitte der Folien erstrecken. Die geschlitzten Folien werden vorzugsweise derart zwischen die Lagen der Spulenwicklung gelegt, daß die Schlitze von Lage zu Lage abwechselnd an jeweils einer der beiden Seiten des Wickelpaketes aus diesem herausgeführt sind. Beim Betrieb der Spule dringt das Kühlmittel durch diese Schlitze von beiden Seiten in das Innere des Wickelpaketes ein. Dadurch wird eine zusätzliche direkte Kühlung der einzelnen Wicklungslagen durch das Kühlmittel erzielt. Da die Schlitze etwa in der Mitte der Folien enden, bleibt die zusätzliche Wirkung der Folien als angekoppelter Schutzkreis zur Übernahme und Verteilung der Feldenergie beim Normalwerden der Spule erhalten.

Die als Kühlfahnen dienenden fahnenförmigen Fortsätze der Folien haben im einfachsten Fall die Form von Rechtecken. Damit das in den Zwischenräumen zwischen den Distanzkörpern befindliche Kühlmittel zu allen Kühlfahnen gleich guten Zutritt hat, ist die Breite der Kühlfahnen vorteilhaft etwas kleiner als die jeweils zugehörige Breite des Zwischenraumes zwischen zwei Distanzkörpern und die Länge der Kühlfahnen etwas kleiner als die Stärke der Distanzkörper. Bei geschlitzten Folien wird der Zutritt des Kühlmittels auch durch die in den Kühlfahnen beginnenden Schlitze erleichtert. Derselbe Effekt kann erreicht werden, wenn man die Kühlfahnen mit Löchern versieht. Jedoch ist darauf zu achten, daß die zur Kühlung zur Verfügung stehende Oberfläche der Kühlfahnen nicht zu klein wird. Um eine Berührung der Kühlfahnen untereinander und damit die Gefahr von Kurzschlüssen über die Kühlfahnen zu vermeiden, können zwischen den Kühlfahnen aufeinanderfolgender Lagen vorteilhaft Distanzstücke aus Isoliermaterial, beispielsweise kleine Kunststoffkörper oder dünne, beispielsweise 0,1 mm starke, gewellte Kunststoffolien vorgesehen werden.

Als Supraleiter für die Spulenwicklung können bei der Spule gemäß der Erfindung supraleitende Drähte oder Bänder der verschiedensten Art verwendet werden. Vorteilhaft ist es, als Supraleiter aus mehreren supraleitenden Drähten bestehende Kabel vorzusehen. Bei einer aus einem solchen Kabel bestehenden Spule sind die einzelnen Wicklungslagen dicker als bei einer Spule, die aus einem einzelnen supraleitenden Draht gewickelt ist. Bei der Verwendung von Kabeln kann daher ein im Sinne eines guten Pakkungsfaktors besonders günstiges Verhältnis zwischen der Dicke der einzelnen Wicklungslagen und der Dicke der Kühlfolien erreicht werden. Bei Spulen, die aus einem einzelnen supraleitenden Draht gewickelt sind, kann es im Sinne eines guten Packungsfaktors vorteilhaft sein, die Kühlfolien nicht auf jede einzelne Wicklungslage folgen zu lassen, sondern zwischen den einzelnen Kühlfolien mehrere Wicklungslagen vorzusehen. Sieht man beispielsweise nach jeder zweiten Wicklungslage eine Kühlfolie vor, so wird noch eine sehr gute Kühlung erreicht, da jede Wicklungslage mit einer Seite an eine Kühlfolie grenzt.

Die Supraleiter, die bei der erfindungsgemäßen Spule Verwendung finden, sind vorzugsweise mit gut leitenden Überzügen aus einem Metall überzogen, das beim Betrieb der Spule normalleitend bleibt, beispielsweise mit Kupfer oder Silber. Über dem Metallüberzug ist eine dünne Isolationsschicht, beispielsweise aus Epoxyharz oder Polyäthylenterephthalat aufgebracht, deren Dicke so bemessen ist, daß die Isolationsschicht einerseits keinen allzu großen Wärmewiderstand für die Zwischenlagenkühlung darstellt, andererseits aber die auftretenden elektrischen Spannungen aushält. Bei kabeiförmigen Supraleitern sind die einzelnen Leiter des Kabels nicht gegeneinander isoliert, sondern das ganze' Kabel ist mit einer Isolation umgeben. Am gefährlichsten sind in der Spule die Spannungen, die zwischen dem Anfangsund dem Endpunkt zweier aufeinanderfolgender Wicklungslagen auftreten. Durch eine geeignete Parallelschaltung von Widerständen können diese Spannungen so klein gehalten werden, daß die Spannungsfestigkeit der Isolationsschichten von handelsüblichen Supraleitern ausreicht. Die Kühlfolien brauchen daher bei der erfindungsgemäßen Spule nicht unbedingt auf beiden Seiten mit dünnen Isolationsfolien gegen die Wicklungslagen elektrisch isoliert zu werden. Durch den völligen oder teilweisen Wegfall von Isolationsfolien zwischen den Kühlfolien und den Wicklungslagen wird der Wärmekontakt zwischen beiden verbessert und die Wirksamkeit der Kühlung noch erhöht.

Insbesondere bei Zylinderspulen kann als äußere Umhüllung des Wickelpaketes und der Distanzkörper, also des gesamten zwischen den Seitenwänden des Spulenkörpers liegenden Raumes, ein Metallnetz, beispielsweise aus Kupfer oder rostfreiem antimagnetischem Stahl, vorgesehen sein. Dadurch werden einerseits die Wicklung und die Kühlfahnen vor mechanischer Beschädigung geschützt, andererseits wird der Zutritt des Kühlmittels zum Wickelpaket und zu den Kühlfahnen nicht behindert. Zum Schutz der Kühlfahnen kann auch ein Metallring, beispielsweise aus Kupfer, vorgesehen sein, der am äußeren Umfang der Spule über die Distanzkörper gelegt und mit geeigneten Löchern versehen ist, die den Eintritt des Kühlmittels in die Zwischenräume zwischen den Distanzkörpern ermöglichen.

An Hand einiger Figuren soll die Supraleitungsspule gemäß der Erfindung noch näher erläutert werden:

F i g. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Zylinderspule gemäß der Erfindung im Längsschnitt;

F i g. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Zylinderspule gemäß der Erfindung in Seitenansicht;

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F i g. 3 zeigt schematisch eine andere Ausführungs- den entlang der Seitenfläche der Spule angeordneten form einer Zylinderspule gemäß der Erfindung in Distanzkörper 21 aus festem Isoliermaterial haben Seitenansicht; die Form von Kreissektoren. In die Zwischenräume

Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere Ausfüh- 22 zwischen den einzelnen Distanzkörpern ragen die rungsform einer Zylinderspule gemäß der Erfindung 5 fahnenförmigen Fortsätze 23 der Kühlfolien hinein, in Seitenansicht; Die Kühlfahnen 23 sind durch Distanzstücke 24 aus

F i g. 5 zeigt eine Folie mit fahnenförmigen Fort- Isoliermaterial voneinander getrennt. Der rohrförsätzen für eine Spule gemäß der Erfindung; mige Teil des Spulenkörpers ist mit 25 bezeichnet.

F i g. 6 zeigt schematisch im Schnitt einen Teil der Bei Verwendung von sektorförmigen Distanzkörpern Spulenwicklung bei einer Ausführungsform der Spule io können die Kühlfolien in der Weise eingelegt gemäß der Erfindung; werden, daß die Kühlfahnen zunächst um 90°

F i g. 7 zeigt schematisch im Schnitt einen Teil der hochgeklappt und die Folien über die einzelnen Spulenwicklung bei einer anderen Ausführungsform Wicklungslagen zwischen den Distanzkörpern gelegt der Spule gemäß der Erfindung; werden. Anschließend werden die Kühlfahnen in den

F i g. 8 zeigt schematisch im Schnitt einen Teil der 15 Zwischenräumen zwischen den Distanzkörpern wie-Spulenwicklung bei einer weiteren Ausführungsform der heruntergeklappt. Die Kühlfolien können auch einer Spule gemäß der Erfindung; aus zwei Teilen bestehen, die sich im Inneren des

F i g. 9 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt Wickelpakets überlappen. Bei derart ausgebildeten eine Ausführungsform einer sattelartig geformten Kühlfolien brauchen die Kühlfahnen nicht umge-Spule gemäß der Erfindung. 20 klappt zu werden. Vielmehr können diese Kühlfolien

Die Wicklung der in F i g. 1 dargestellten Zylinder- um eine Wicklungslage gelegt und anschließend seitspule besteht aus einem supraleitenden Draht 1, der lieh verschoben werden, so daß die Kühlfahnen in von einem Mantel 2 aus normalleitendem Metall und die Zwischenräume zwischen den Distanzkörpern einer Isolierschicht 3 umgeben ist. Die Wicklung wird von innen eingeschoben werden. Die Ausführungsvon einem Spulenkörper mit rohrförmigem Mittel- 25 form der erfindungsgemäßen Spule mit sektorförmiteil 4 und mit scheibenförmigen Seitenwänden 5 gen Distanzkörpern zeichnet sich durch ihre beson- und 6 getragen. Der aus Metall bestehende Spulen- dere Einfachheit aus. Um die Distanzkörper ist zum körper ist durch eine Isolationsfolie 7 gegenüber der Schütze der Kühlfahnen 23 ein Metallband 26 gelegt, Wicklung isoliert. Zwischen den Seitenwänden 5 das im Bereich der Zwischenräume 22 zwischen den und 6 des Spulenkörpers und der Wicklung sind zur 30 Distanzkörpern mit Öffnungen 27 versehen ist, um stabilen seitlichen Begrenzung der Wicklung Distanz- das Kühlmittel durchzulassen, körper 8 aus festem Isoliermaterial vorgesehen. Zwi- Wenn die Distanzkörper nicht Sektorform besehen den einzelnen Wicklungslagen 9, 10 und 11 sitzen, sondern die Seitenflächen, die sie gegen die liegen gut wärmeleitende Folien 12 und 13. Eine wei- Zwischenräume abgrenzen, eine geeignete Bogentere Folie 14 liegt zwischen der Isolationsfolie des 35 form haben, so lassen sich die Kühlfolien mit den Spulenkörpers und der inneren Wicklungslage 11. Kühlfahnen relativ leicht direkt einwickeln, ohne daß Die Folien 12, 13 und 14 bilden in sich geschlossene ein Verbiegen der Kühlfahnen nötig ist. Ausführungs-Zylinder. Die Folien 12 und 13 sind gegenüber der formen von Zylinderspulen gemäß der Erfindung mit Wicklung einseitig mit dünnen Isolationsfolien 15 in dieser Weise gestalteten Distanzkörpern sind in isoliert. Die Distanzkörper 8 sind gleichmäßig über 40 den F i g. 3 und 4 in Seitenansicht dargestellt, wobei den Umfang des Spulenkörpers verteilt. Im oberen wiederum die Seitenwand des Spulenkörpers entTeil der Figur ist der Zwischenraum zwischen zwei fernt ist.

Distanzkörpern dargestellt. In diesen Zwischenraum Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform

ragen die fahnenförmigen Fortsätze 16, 17 und 18 entspricht der Verlauf der Grenzflächen zwischen der Kühlfolien 12, 13 und 14 hinein. Beim Betrieb 45 den Distanzkörpern 31 und den Zwischenräumen 32 der Spule ist dieser Zwischenraum mit Kühlmittel ge- der Evolvente des durch die Wicklungslage mit dem füllt. Die Länge der fahnenförmigen Fortsätze ist kleinsten Radius gebildeten Kreises. Die mit 33 bekleiner als die Stärke der Distanzkörper 8. Das Kühl- zeichneten Kühlfahnen sind durch gewellte Kunstmittel hat daher zu allen fahnenförmigen Fortsätzen stoffolien 34 voneinander getrennt. Zutritt. Zwischen den fahnenförmigen Fortsätzen der 50 Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform aufeinanderfolgenden Kühlfolien sind Distanzstücke ist die Begrenzung zwischen den Distanzkörpern und 19 aus Isoliermaterial vorgesehen, so daß die Kühl- den Zwischenräumen kreisbogenförmig. Der Krümfahnen einander nicht beürhren können. Durch das mungsradius des Kreisbogens ist gleich dem Abstand Stahlnetz 20 werden Wickelpaket und Kühlfolien zwischen der Berührungsstelle A der Kante eines gegen mechanische Beschädigung von außen ge- 55 Distanzkörpers 41 und der Berührungsstelle B der schützt. In den Seitenwänden der Spulenkörpers kön- entsprechenden Kante des nächsten Distanzkörpers nen in der Zeichnung nicht dargestellte Öffnungen 42 mit dem rohrförmigen Teil 43 des Spulenkörpers vorgesehen sein, die zur Durchführung der Supra- bzw. mit der diesen Teil umgebenden Isolationsfolie, leiter zum Zwecke der Stromzuführung oder der Krümmungsmittelpunkte der Begrenzungskreise sind Parallelschaltung von Widerständen dienen. 60 jeweils die Berührungspunkte der Kanten der Distanzin F i g. 2 ist eine Ausführungsform einer Zylinder- körper mit dem Rohr 43 des Spulenkörpers. Der spule gemäß der Erfindung in Seitenansicht, d. h. in Krümmungsradius r der Begrenzung der Distanz-Richtung der Zylinderachse, dargestellt. Um eine körper kann nach der Formel Darstellung der Distanzkörper und der fahnenförmi- _{# α}

gen Fortsätze der Kühlfolien, die in die Zwischen- 65 r — 2R-sia-^-

räume zwischen den Distanzkörpern hineinragen, zu

ermöglichen, ist die scheibenförmige Seitenwand des berechnet werden, wobei R den äußeren Radius des Spulenkörpers entfernt. Die in gleichmäßigen Abstän- rohrförmigen Teiles 43 des Spulenkörpers und α den

Winkel bedeutet, den die Verbindungslinie der Punkte A und B mit dem Mittelpunkt M des Kreises vom Radius R einschließen. Durch die angegebenen kreisförmigen Begrenzungen wird die Evolventenform gut angenähert. Die kreisbogenförmigen Begrenzungen haben den Vorteil, daß sie sich einfacher herstellen lassen als evolventenförmige Begrenzungen. Die Kühlfahnen sind in F i g. 4 mit 44, die gewellten Isolationsfolien mit 45 bezeichnet.

In F i g. 5 ist eine bei einer Spule gemäß der Erfindung verwendete Kühlfolie dargestellt. Die beispielsweise rechteckigen fahnenförmigen Fortsätze 51 der Kühlfolie stehen, wenn die Folie in das Wickelpaket der Spule eingelegt ist, über die seitliche Begrenzung der Wicklung hinaus und ragen in die Zwischenräume zwischen den Distanzkörpern hinein. Bei Zylinderspulen sind die Folien vorteilhaft so ausgebildet, daß der Abstand α zwischen den einzelnen Kühlfahnen sowie die Breite b der Kühlfahnen mit wachsendem Wicklungsdurchmesser zunehmen, d. h. ao also, daß bei den im Wickelpaket außenliegenden Folien die Längen α und b größer sind als bei den im Wickelpaket innenliegenden Folien. Dadurch wird erreicht, daß die Kontaktfläche der Kühlfahnen mit der Kühlflüssigkeit in einem konstanten Verhältnis zur zu kühlenden Drahtoberfläche steht. Der Abstand α und die Breite b sowie die Länge d der Kühlfahnen wird so bemessen, daß die Kühlfahnen gut in die Zwischenräume zwischen den Distanzkörpern eingefügt werden können und gleichzeitig ein guter Kühlmittelzutritt zu allen Kühlfahnen gewährleistet ist. Die in F i g. 5 dargestellte Kühlfolie ist auf einer Seite mit etwa rechteckförmigen Schlitzen 52 versehen, die von den Kühlfahnen ausgehen und sich etwa bis zur Mitte der Folie erstrecken. Durch die Schlitze kann Kühlmittel in das Innere des Wickelpaketes eindringen.

In den F i g. 6, 7 und 8, die im Schnitt Teile der Wicklungen von verschiedenen Ausführungsformen der Spule gemäß der Erfindung zeigen, sind verschiedene Möglichkeiten zur Isolation der Kühlfolien gegenüber den Wicklungslagen dargestellt. Die Wicklungen bestehen bei F i g. 6 und 7 aus dem supraleitenden Draht 61, der mit einem normalleitenden Metallmantel 62 und einer Isolationsschicht 63 überzogen ist. Bei F i g. 8 ist als Supraleiter ein aus mehreren metallummantelten Drähten bestehendes Kabel 68 vorgesehen, das mit einer Isolationsschicht 69 umgeben ist.

Wenn die Isolation der Einzelleiter die maximale zwischen zwei Wicklungslagen auftretende Spannung aushält, können die Kühlfolien 64, wie F i g. 6 zeigt, ohne zusätzliche Isolation zwischen die Wicklungslagen eingelegt werden. Die Kühlfolien 64 stehen bei dieser Anordnung im direkten Wärmekontakt mit beiden Seiten der zu kühlenden Wicklungslagen. Der erzielte Kühleffekt ist bei dieser Anordnung daher besonders gut.

Falls die Isolation der Leiter nur Spannungen verträgt, die innerhalb einer Wicklungslage auftreten, also die Hälfte der maximalen Spannung zwischen zwei Wicklungslagen, so kann die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform gewählt werden. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wicklungslagen jeweils eine Kühlfolie 64 und eine dünne Isolationsfolie 65 eingelegt. Die Kühlfolien sind daher gegen jeweils eine Wicklungslage elektrisch isoliert, während sie mit der anderen in direktem Wärmekontakt stehen. Da die Isolation der Leiter die innerhalb einer Lage auftretenden Spannungen aushält, sind Kurzschlüsse innerhalb einer Lage über die elektrisch leitenden Kühlfolien nicht möglich. Die Isolationsfolien bestehen beispielsweise aus Polyäthylenterephthalat und sind möglichst dünn gehalten. Ihre Dicke wird so bemessen, daß sie die maximale zwischen zwei Lagen auftretende Spannung aushalten.

Bei der in F i g. 8 dargestellten Ausführungsform wird eine beidseitige Kühlung jeder Wicklungslage erzielt, obwohl die Isolation der Einzelleiter nur die Spannungen aushält, die innerhalb einer Lage auftreten. Bei dieser Ausführungsform liegen zwischen zwei Wicklungslagen jeweils zwei Kühlfolien 64 und 66, die durch eine zwischen ihnen liegende Isolationsfolie 65 gegeneinander isoliert sind. Dadurch wird erreicht, daß die einzelnen Lagen gegeneinander isoliert sind und trotzdem beidseitig gekühlt werden.

Die Kühlfolien sind bei den in den F i g. 6 und 8 gezeigten Ausführungsformen der Wicklung der erfindungsgemäßen Spule mit Schlitzen 67 versehen, die von den Kühlfahnen ausgehen und sich ins Innere des Wickelpaketes etwa bis zur Mitte der Kühlfolien erstrecken. Durch diese Schlitze kann das Kühlmittel, wie durch Pfeile angedeutet ist, ins Innere des Wickelpaketes eindringen. Die Kühlfolien sind so angeordnet, daß bei aufeinanderfolgenden Folien die Schlitze jeweils an verschiedenen Seiten des Wickelpaketes nach außen geführt sind.

Falls die Isolation der Einzelleiter die maximale innerhalb einer Lage auftretende Spannung nicht aushält, müssen auf beiden Seiten der Kühlfolien Isolationsfolien vorgesehen werden.

F i g. 9 zeigt teilweise im Schnitt eine sattelartig ausgebildete Spule gemäß der Erfindung, die insbesondere bei magnetohydrodynamischen Generatoren Anwendung finden kann. Zwischen der Seitenwand 91 des Spulenkörpers 93 und dem Wickelpaket 94 sind in Abständen voneinander Distanzkörper 95 angeordnet, während das Wickelpaket direkt an die andere Seitenwand 92 des Spulenkörpers anstößt. Zwischen den einzelnen Wicklungslagen liegen gut wärmeleitende Folien 96, deren fahnenförmige Fortsätze 97 in die beim Betrieb der Spule mit Kühlmittel erfüllten Zwischenräume 98 zwischen den Distanzkörpern hineinragen. Die Kühlfolien haben bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spule die Form von Bändern, die der Form der einzelnen Wicklungslagen angepaßt sind. Falls der Spulenkörper 93 aus Metall besteht, ist er gegenüber dem Wickelpaket 94 elektrisch isoliert.

Auch bei anderen Spulenformen, die einen Spulenkörper mit Seitenwänden besitzen, können die der Erfindung zugrunde liegenden Konstruktionsprinzipien Anwendung finden.

Claims (23)

Patentansprüche:

1. Spule mit einer auf einen Spulenkörper gewickelten supraleitenden Wicklung und mit gut wärmeleitenden, zwischen den Lagen der Wicklung angeordneten Folien, die mit den Wicklungslagen selbst und mit einem Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wicklung und wenigstens einer der beiden Seitenwände (5, 6) des die Wicklung tragenden Spulenkörpers gegen die Wicklung und die Folien isolierte

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Distanzkörper (8) in Abständen voneinander vorgesehen sind und daß die Folien (12,13,14) fahnenförmige, über die seitliche Begrenzung der Wicklung hinausstehende Fortsätze (16, 17, 18) besitzen, die in die beim Betrieb der Spule von Kühlmittel erfüllten Zwischenräume zwischen den einzelnen Distanzkörpern hineinragen (Fig. 1).

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzkörper selbständige Bauteile bilden und am Spulenkörper befestigt sind.

3. Spule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzkörper aus einem Isoliermaterial hoher Festigkeit bestehen.

4. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzkörper Teile der Seitenwände des Spulenkörpers sind und die Form von Vorsprüngen in diesen Wänden haben.

5. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzkörper in gleichmäßigen Abständen entlang der Seitenwände des Spulenkörpers angeordnet sind.

6. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung zylinderförmig ist und der Spulenkörper aus einem rohrförmigen Mittelteil (4 bzw. 25, 43) und zwei scheibenförmigen Seitenwänden (5, 6) besteht (Fig. Ibis 4).

7. Spule nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzkörper (21) die Form von Kreissektoren besitzen (Fig. 2).

8. Spule nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Begrenzungsflächen der Distanzkörper (31) der Evolvente des durch die Wicklungslage mit dem kleinsten Radius gebildeten Kreises entspricht (F i g. 3).

9. Spule nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Begrenzungsflächen der Distanzkörper (41, 42) einem Kreisbogen entspricht, dessen Krümmungsradius gleich dem Abstand zwischen der Berührungsstelle der Seitenkante eines Distanzkörpers und der Berührungsstelle der entsprechenden Seitenkante des nächsten Distanzkörpers mit dem rohrförmigen Teil des Spulenkörpers ist und der eine solche Berührungsstelle zum Mittelpunkt hat (Fig.4).

10. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Folien aus einem Metall von hoher Reinheit bestehen.

11. Spule nach einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Folien mit Schlitzen (52 bzw. 67) versehen sind, die sich, von den fahnenförmigen Fortsätzen (51) ausgehend, etwa bis zur Mitte der Folien erstrecken (F i g. 5 bis 8).

12. Spule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien derart zwischen die Wickhragslagen gelegt sind, daß die Schlitze von Lage zu Lage abwechselnd an jeweils einer der beiden Seiten der Wicklung aus dieser herausgeführt sind (F i g. 6 bis 8).

13. Spule nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Folien innerhalb der Wicklung in Form von geschlossenen Zylindern angeordnet sind.

14. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fahnenförmigen Fortsätze der wärmeleitenden Folien Rechteckform haben und ihre Länge etwas kleiner als die Stärke eines Distanzkörpers und ihre Breite etwas kleiner als der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Distanzkörpern ist.

15. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den fahnenförmigen Fortsätzen der wärmeleitenden Folien aufeinanderfolgender Lagen Distanzstücke (19, 24, 34, 45) aus Isoliermaterial vorgesehen sind.

16. Spule nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Distanzstücke zwischen den fahnenförmigen Fortsätzen (33 bzw. 44) dünne, gewellte Kunststoffolien (34 bzw. 45) verwendet sind (Fig. 3 und 4).

17. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus einem mit einem gut leitenden Metallüberzug (2 bzw. 62) und einer Isolationsschicht (3 bzw. 63) übergezogenen Supraleiter (1 bzw. 61) besteht (F i g. 1, 6 und 7).

18. Spule nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Supraleiter für die Wicklung ein aus mehreren supraleitenden Drähten aufgebautes Kabel vorgesehen ist (Fig. 8).

19. Spule nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wicklungslagen und den wärmeleitenden Folien keine zusätzliche Isolation vorgesehen ist (Fig. 6).

20. Spule nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Wicklungslagen jeweils eine wärmeleitende Folie (12, 13 bzw. 64) und eine dünne Isolationsfolie (15 bzw. 65) angeordnet ist (Fig. 1 und 7).

21. Spule nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Wicklungslagen jeweils zwei wärmeleitende Folien (64, 66) liegen und zwischen diesen Folien eine dünne Isolationsfolie (65) angeordnet ist (Fig. 8).

22. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als äußere Umhüllung ein Metallnetz (20) vorgesehen ist (Fig.l).

23. Spule nach einem der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Umfang der Spule ein mit Löchern (27) für das Kühlmittel versehener Metallring (26) über die Distanzkörper (21) gelegt ist (Fig. 2).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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