DE2459104A1 - Cryogenic superconducting magnet coil - having winding layer packet externally coated with glass-fibre reinforced plastic and smoothed off - Google Patents
Cryogenic superconducting magnet coil - having winding layer packet externally coated with glass-fibre reinforced plastic and smoothed offInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung einer tiefgekühlten Magnetwicklung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer tiefgekühlten, insbesondere supraleitenden Magnetwicklung innerhalb eines starren Außengehäuses, die mehrere, parallel zueinander angeordnete Wicklungslagen enthält, zwischen denen jeweils eine Zwischenlage eingelegt ist, und deren Außenseite mit einer Schicht aus einem aushärtbaren Material umgeben ist.Method of making a refrigerated magnet winding The invention relates to a method of making a frozen, in particular superconducting magnet winding within a rigid outer housing, which has several, Contains winding layers arranged parallel to one another, between each of which one Interlayer is inserted, and the outside with a layer of a curable Material is surrounded.
Zur Erzeugung großvolumiger Magnetfelder können vorteilhaft Magnetwicklungen mit tiefgekühlten Leitern, insbesondere mit Supraleitern verwendet werden. Wenn die Supraleiter dieser Magnetwicklungen mit Hilfe eines Kühlmittels, im allgemeinen mit Hilfe von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der sogenannten kritischen Temperatur des für die Leiter verwendeten Supraleitermaterials abgekühlt werden, verschwindet praktisch der ohmsche Widerstand des Supraleitermaterials.Magnetic windings can advantageously be used to generate large-volume magnetic fields be used with frozen conductors, especially with superconductors. if the superconductors of these magnet windings with the help of a coolant, in general with the help of liquid helium, to a temperature below the so-called critical Temperature of the superconductor material used for the conductors are cooled, the ohmic resistance of the superconductor material practically disappears.
Infolge des entsprechend verringerten Energiebedarfs bieten Supraleitungemagnete gegenüber konventionellen Magneten mit Wicklungen aus elektrisch normalleitendem Material wie beispielsweise Kupfer den Vorteil, daß mit ihnen stärkere Magnetfelder und somit stärkere Magnetfeldgradienten erreicht werden können. Derartige supraleitende Magnete werden beispielsweise für Susionsreaktoren benötigt, deren starke Magnetfelder dazu dienen, ein heißes Plasma mittels hoher magnetischer Kräfte zusammenzuhalten und damit einen Fusionsvorgang in dem Plasma zu ermöglichen.As a result of the correspondingly reduced energy requirement, superconducting magnets offer compared to conventional magnets with windings made of normal electrical conductivity Material such as copper has the advantage that with them stronger magnetic fields and thus stronger magnetic field gradients can be achieved. Such superconducting Magnets are required, for example, for suspension reactors, their strong magnetic fields serve to hold a hot plasma together by means of high magnetic forces and thus to enable a fusion process in the plasma.
Um sehr große Magnetfelder bzw. Magnetfeldgradienten mittels supraleitenden Magneten zu erhalten, müssen die effektiven Stromdichten in den supraleitenden Leitern dieser Magnete im allgemeinen sehr hoch gewählt werden. Es kann dann eine Belastung der Supraleiter bis in die Nähe der für sie kritischen Stromstärke erforderlich werden. Derartige Leiter müssen gegen mechanische Instabilitäten, die durch Leiterbewegungen hervorgerufen werden können, besonders gesichert sein. Besitzt nämlich ein supraleitender Leiter innerhalb einer Magnetwicklung die Möglichkeit, sich unter einer äußeren Krafteinwirkung, beispielsweise auf Grund eines veränderlichen Magnetfeldes, zu bewegen, so kann er sich infolge-der damit verbundenen Reibungswärmeoder infolge der in Wärme umgewandelten kinetischen Energie so weit erhitzen, daß seine kritische Temperatur überschritten wird und er zumindest an der Stelle der mechanischen Instabilität normalleitend wird.To very large magnetic fields or magnetic field gradients by means of superconducting To get magnets, the effective current densities in the superconducting conductors have to be achieved these magnets are generally chosen to be very high. It can then be a burden the superconductor close to what is critical for them Amperage will be required. Such conductors must withstand mechanical instabilities that can be caused by ladder movements, be particularly secured. Owns namely a superconducting conductor within a magnet winding the possibility of under an external force, for example due to a variable Magnetic field to move, it can be due to the associated frictional heat or as a result of the kinetic energy converted into heat, heat it up to such an extent that its critical temperature is exceeded and he at least at the point of mechanical Instability becomes normal.
Um derartige Instabilitäten mechanischer Art und die mit ihnen verbundenen Leitererwärmungen zu verhindern, können die einzelnen Wicklungslagen einer supraleitenden Magnetwicklung in bekannter Weise mit einem Material imprägniert werden, das ausgehärtet wird und so die Wicklungslagen fest miteinander verbindet. Dabei muß jedoch gewährleistet sein, daß die supraleitenden Leiter der Wicklung ausreichend von einem kryogenen Medium; gekühlt werden, um so bei einem sogenannten Quench, d. h. bei einem Übergang eines Teils der Wicklung in den normalleitenden Zustand, die damit verbundene Wärme genügend schnell aus der Wicklung abführen zu können. Zur Herstellung einer solchen imprägnierten Wicklung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 256 921 bekannt, beim Wickeln besondere Einlagen vorzusehen. Diese Einlagen entsprechen Kühlkanälen in der Magnetwicklung; sie lassen sich oach Beendigung des Imprägnierungsprozesses, d. h. nach dem Aushärten des Imprägnierungsmaterials, aus der Wicklung wieder entfernen.Such instabilities of a mechanical nature and those associated with them To prevent conductor heating, the individual winding layers of a superconducting Magnet winding are impregnated in a known manner with a material that has hardened and thus firmly connects the winding layers with one another. However, this must be guaranteed be that the superconducting conductor of the winding is sufficiently of a cryogenic Medium; be cooled, so as in a so-called quench, d. H. at a transition part of the winding in the normally conducting state, the associated heat to be able to dissipate from the winding quickly enough. To make such a impregnated winding is for example from the German Offenlegungsschrift 2 256 921 known to provide special deposits when winding. These deposits correspond Cooling channels in the magnet winding; they can be used after the impregnation process, d. H. After the impregnation material has hardened, remove it from the winding.
Eine derartige Wicklung bildet zwar eine feste Baueinheit, deren Wicklungslagen auf Grund des bekannten Imprägnierungsprozesses weitgehend gegen Relativbewegungen gegeneinander gesichert sind. Darüberhinaus müssen aber auch Bewegungen der gesamten Wicklung innerhalb eines Wicklungsgehäuses, die ebenfalls zu Quenchen führen können, ausgeschlossen sein. Eine Fixierung der Wicklung in einem Außengehäuse ist jedoch schwierig.Such a winding forms a solid structural unit, its winding layers largely against relative movements due to the known impregnation process are secured against each other. In addition, movements of the entire Winding within a winding housing, which can also lead to quenching, be excluded. A fixation of the winding in an outer housing is, however difficult.
-Es wurde nun erkannt, daß die einzelnen Wicklungslagen der Wicklung in ihren Außenmaßen noch voneinander abweichen können, beispielsweise auf Grund ungenauer Wickeltechniken .-It has now been recognized that the individual winding layers of the winding can still differ in their external dimensions, for example due to inaccurate winding techniques.
Die Außenfläche der gesamten Wicklung kann somit Rillen und sonstige Unebenheiten enthalten, und es sind aufwendige Maßnahmen erforderlich, um die Wicklung an dieser Außenseite gegen die entsprechende Wand des Außengehäuses gleichmäßig abzustützen.The outer surface of the entire winding can therefore have grooves and others Contain bumps, and there are complex measures required to the winding on this outside against the corresponding wall of the outer housing evenly to support.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Herstellungsverfahren einer Magnetwicklung zu schaffen, das ein Verspannen der gesamten Magnetwicklung auf einfache Weise am Umfang gegenüber einem festen Außengehäuse ermöglicht.The object of the present invention is therefore to provide a manufacturing method to create a magnet winding, the tensioning of the entire magnet winding in a simple manner on the circumference compared to a solid outer housing.
Diese Aufgabe wird für ein Herstellungsverfahren einer Magnetwicklung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß nach dem Aushärtungsprozeß die Schicht zu einer glatten Mantelfläche abgetragen wird und daß zwischen Teile dieser Fläche und der ihr benachbarten Wand des Außengehäuses mindestens ein' an die Fläche angepaßter Zwischenkörper eingebracht wird.This task becomes for a manufacturing method of a magnet winding of the type mentioned in that, after the curing process, the layer is removed to a smooth surface and that between parts of this surface and the wall of the outer housing adjacent to it at least one 'adapted to the surface Intermediate body is introduced.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß zur Innenwand des Außengehäuses eine genaue Gegenfläche am Wicklungsumfang geschaffen werden kann. Mittels mehrerer, zwischen diese Fläche und die Gehäusewand eingepaßter und in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilter Zwischenkörper kann dann jede Wicklungslage der Wicklung gleichmäßig gegen das Außengehäuse abgestützt werden, und es lassen sich so hohe Kräfte von jeder Wicklungslage über die so erstellten Abstützungen auf das Gehäuse übertragen.The advantages of the invention are in particular that the inner wall of the outer housing an exact mating surface can be created on the winding circumference. By means of several, fitted between this surface and the housing wall and in the circumferential direction evenly distributed intermediate body can then each winding layer of the winding be supported evenly against the outer housing, and it can be so high Forces from each winding layer via the supports created in this way on the housing transfer.
Gemäß einer Weiterbildung des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung kann die mit dem aushärtbaren Material versehene Außenfläche der Wicklung zu einer konisch verlaufenden Mantelfläche abgedreht werden. Es lassen sich dann keilförmige Zwischenkörper zwischen diese Mantelfläche und die ihr benachbarte Gehäusewand treiben; und die Wicklung kann damit auf einfache Weise in dem Gehäuse vorgespannt werden.According to a further development of the manufacturing method according to the invention can be provided with the curable material outer surface of the winding to one conical outer surface are turned off. It can then be wedge-shaped Drive intermediate bodies between this lateral surface and the housing wall adjacent to it; and the winding can thus be easily preloaded in the housing.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Piguren 1 bis 5 in einen Ausführungsbeispiel schematisch ein Herstellungsverfahren einer supraleitenden Magnetwicklung gemäß der Erfindung veranschaulicht ist.To further explain the invention and its in the subclaims marked developments, reference is made to the drawing, in their Piguren 1 to 5 in an exemplary embodiment schematically show a manufacturing process a superconducting magnet winding according to the invention is illustrated.
Pigur 1 zeigt die obere Hälfte eines Querschnitts längs einer Achse 2 durch eine Spannvorrichtung 2, die zur Herstellung einer supraleitenden Magnetwicklung aus einzelnen, scheibenförmig ausgebildeten Wicklungslagen dient. Die Spannvorrichtung 3 enthält einen zur Achse 2 rotationssymmetrischen Zylinder 4, der an seinem einen Ende senkrecht auf einem scheibenförmigen Bodenteil 5 steht. Dieses Bodenteil 5, das mit dem Zylinder 4 ein gemeinsames Formstück bildet, hat einen größeren Außendurchmesser als dieser Zylinder. Im Querschnitt der Figur ergibt sich deshalb für das Formstück aus Zylinder 4 und Bodenteil 5 eine L-Porm, deren einer freier Schenkel in einer radialen Ebene bezüglich der Achse 2 nach außen weist.Pigur 1 shows the upper half of a cross section along an axis 2 by a clamping device 2, which is used to produce a superconducting magnet winding is made up of individual, disc-shaped winding layers. The jig 3 contains a cylinder 4 which is rotationally symmetrical to the axis 2 and which at its one The end is perpendicular to a disk-shaped bottom part 5. This bottom part 5, which forms a common fitting with the cylinder 4, has a larger outer diameter than this cylinder. In the cross section of the figure, therefore, results for the molded piece from cylinder 4 and bottom part 5 an L-shape, one of which is free leg in a radial plane with respect to the axis 2 to the outside.
Über das andere freie Ende des Formstückes aus Zylinder 4 und Bodenteil 5 sind abwechselnd scheibenförmig Zwischenlagen 7 bis 12 und Wicklungslagen 14 bis 18 geschoben. Sie liegen formschlüssig mit ihren inneren Schmalseiten an der Außenseite des Zylinders 4 an und werden mittels eines scheibenförmigen Deckelteils 19 auf das Bodenteil 5 gepreßt. Der Außendurchmesser der Wicklungslagen 14 bis 18 ist dabei etwas geringer als der Außendurchmesser des Bodenteils 5 und des Deckelteils 19, während die Zwischenlagen 7 bis 12 über das Bodenteil 5 und das Deckelteil 19 hinausragen, da ihr Außendurchmesser größer als der des Boden- und Deckelteils ist. Es bilden sich somit ringförmige Nuten 21 bis 25 zwischen den Umfangsflächen der Wicklungslagen 14 und 18 und den aus der Wicklung hervorstehenden Teilen der den Wicklungslagen jeweils benachbarten Zwischenlagen 7 bis 12.About the other free end of the shaped piece from cylinder 4 and bottom part 5 are alternately disk-shaped intermediate layers 7 to 12 and winding layers 14 to 18 pushed. They lie positively with their inner narrow sides on the outside of the cylinder 4 and are opened by means of a disc-shaped cover part 19 the bottom part 5 pressed. The outer diameter of the winding layers 14 to 18 is included slightly smaller than the outer diameter of the bottom part 5 and the cover part 19, while the intermediate layers 7 to 12 protrude beyond the base part 5 and the cover part 19, because their outer diameter is larger than that of the base and cover part. Make it up thus annular grooves 21 to 25 between the circumferential surfaces of the winding layers 14 and 18 and the parts of the winding layers protruding from the winding adjacent intermediate layers 7 to 12 in each case.
Als Wicklungslagen 14 bis 18 können zum Beispiel jeweils zwei aneinanderliegende, scheibenförmige Wicklungslagen, sogenannte Doppel-Pancakes, von beispielsweise 7 mm Breite in Acharichtung verwendet werden. Die Zwischenlagen 7 bis 12 können aus Polytetrafluoräthylen-Scheiben bestehen, die am Umfang beispielsweise etwa 6 mm über die Wicklungslagen hervorstehen.As winding layers 14 to 18, for example, two adjacent, disc-shaped winding layers, so-called double pancakes, of for example 7 mm width in Acha direction be used. The intermediate layers 7 to 12 can consist of polytetrafluoroethylene discs, for example on the circumference protrude about 6 mm over the winding layers.
Gemäß Figur 2 sind die Nuten 21 bis 25 mit einem aushärtbaren Material ausgefüllt. Dieses Material bildet somit eine Schicht 26 vorgegebener Dicke um die Umfangsfläche der Magnetwicklung.According to Figure 2, the grooves 21 to 25 are made of a hardenable material filled out. This material thus forms a layer 26 of predetermined thickness around the Circumferential surface of the magnet winding.
Als aushärtbares Material der Schicht 26 läßt sich zweckmäßig ein glasfaserverstärkter Kunststoff verwenden. Der Glasfaser-Gewichtsanteil kann vorzugsweise 50 bis 80 , insbesondere 60 bis 70 %, betragen, wobei die Glasfasern annähernd senkrecht zur radialen Kraftrichtung zwischen Wicklung und einem Außengehäuse liegen.- Hierzu können beispielsweise die Nuten 21 bis 25 mit epoxydharzgetränkten Glasfasersträngen in Umfangsrichtung vollgewickelt werden.One can expediently be used as the curable material of the layer 26 Use glass fiber reinforced plastic. The glass fiber weight fraction can preferably 50 to 80, in particular 60 to 70%, with the glass fibers approximately perpendicular to the radial direction of force between the winding and an outer housing For example, the grooves 21 to 25 with epoxy resin-soaked fiberglass strands be fully wound in the circumferential direction.
Nach dem Aushärtungsvorgang der Schicht 26 kann dann gemäß Figur 3 ihre äußere Umfangsfläche zu einer glatten Außenfläche 27 abgearbeitet, vorzugsweise konisch abgedreht werden. Der Außendurchmesser dieser so gewonnenen Mantelfläche ist dabei mindestens so groß wie der größte Außendurchmesser der Wicklungslagen 14 bis 18 einschließlich eines Sicherheitszuschlags, da die Leiter der Wicklungslagen vor Beschädigungen beim Abarbeiten der Schicht 26 geschützt sein müssen. Darüber hinaus ist der Außendurchmesser der Mantelfläche 27 höchstens so groß wie der ursprüngliche Außendurchmesser der Zwischenlagen 7 bis 12.After the hardening process of the layer 26, according to FIG their outer circumferential surface machined into a smooth outer surface 27, preferably be turned off conically. The outer diameter of this surface area obtained in this way is at least as large as the largest outer diameter of the winding layers 14 to 18 including a safety margin, as the conductors of the winding layers must be protected from damage when working off the layer 26. About that In addition, the outer diameter of the lateral surface 27 is at most as large as the original Outside diameter of the intermediate layers 7 to 12.
Nach dem Abarbeiten der Schicht 26 auf die Mantelfläche 27 werden nun die Zwischenlagen 7 bis 12 aus der Wicklung entfernt und in die dadurch enstandenen Hohlräume entsprechende Isolationsscheiben 29 bis 34 eingebracht. Gemäß Pigur 4 sind diese Isolationsscheiben 29 bis 34 mit Aussparungen versehen, die als Kühlkanäle 35 dienen. Die Wicklungslagen 14 bis 18 und die zwischen ihnen angeordneten Isolationsscheiben 29 bis 34 können dann noch vorteilhaft mittels einem aushärtbaren Klebemittels miteinander verbunden werden und bilden so eine feste Wicklungseinheit.After the layer 26 has been worked off on the jacket surface 27 now the intermediate layers 7 to 12 are removed from the winding and inserted into the resulting layers Insulation disks 29 to 34 corresponding to cavities are introduced. According to Pigur 4 these insulation disks 29 to 34 are provided with recesses that act as cooling channels 35 serve. The winding layers 14 to 18 and the insulation disks arranged between them 29 to 34 can then advantageously by means of a curable Adhesive are connected to one another and thus form a solid winding unit.
Das Material der Isolationsscheiben 29 bis 34 kann vorteilhaft ein glasfaserverstärkter Polyester hoher Druckfestigkeit sein, der beidseitig Vertiefungen aufweist, die zusammen mit den Stirnseiten der Wicklungslagen 14 bis 18 Kühlkanäle bilden. Die hervorstehenden Rippen der Isolationsscheiben 29 bis 34 können beispielsweise mittels eines Epoxydharzklebers mit den anliegenden Wicklungslagen verklebt werden. Erst nach einem Verformen und Verzinnen der Leiterenden der einzelnen Wicklungslagen im noch nassen Zustand des Klebers erfolgt dann zweckmäßig die Aushärtung der Wicklung.The material of the insulation disks 29 to 34 can advantageously be a Glass fiber reinforced polyester with high compressive strength with indentations on both sides has, which together with the end faces of the winding layers 14 to 18 cooling channels form. The protruding ribs of the insulation disks 29 to 34 can, for example be glued to the adjacent winding layers using an epoxy resin adhesive. Only after the conductor ends of the individual winding layers have been deformed and tinned When the adhesive is still wet, the winding is then expediently hardened.
Gemäß Figur 5 kann nun die aus den fest miteinander verklebten Wicklungslagen 14 bis 18 und den Isolationsscheiben 29 bis 34 bestehende Wicklung in einem Wicklungsgehäuse angeordnet werden. Das Wicklungsgehäuse enthält ein starres Außengehäuse 37, das einen ringförmig ausgebildeten Raum umfaßt, der in Achsrichtung auf einer Seite offen ist und in den die Wicklung von dieser Seite her eingelegt wird. Zwischen die konisch abgedrehte gemeinsame Mantelfläche 27 der Wicklungslagen 14 bis 18 und die ihr benachbarte Gehäusewand 38 läßt sich nun mindestens ein keilförmiger Körper 39 mit einer an die Fläche 27 angepaßten Anschrägung einbringen. Uber diesen Zwischenkörper 39 sind nunmehr die Wicklungslagen 14 bis 18 form- und kraftschlüssig in radialer Richtung in dem Außengehäuse 37 eingespannt, und radiale Bewegungen der Wicklung sind somit praktisch ausgeschlossen.According to FIG. 5, the winding layers that are firmly glued together can now be used 14 to 18 and the insulation disks 29 to 34 existing winding in a winding housing to be ordered. The winding housing includes a rigid outer housing 37, the comprises an annular space which is axially on one side is open and into which the winding is inserted from this side. Between the conically twisted common jacket surface 27 of the winding layers 14 to 18 and the housing wall 38 adjacent to it can now have at least one wedge-shaped body Insert 39 with a bevel adapted to the surface 27. About this intermediate body 39, the winding layers 14 to 18 are now positively and non-positively in the radial direction Direction clamped in the outer housing 37, and radial movements of the winding are thus practically impossible.
6 Patentansprüche 5 Figuren6 claims 5 figures
Claims (6)
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2382757A1 (en) * | 1977-03-03 | 1978-09-29 | Siemens Ag | METHOD AND DEVICE FOR IMPREGNATION OF A SUPRACONDUCTOR FIELD COIL |
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1974
- 1974-12-13 DE DE19742459104 patent/DE2459104C3/en not_active Expired
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE2459104C3 (en) | 1980-02-28 |
| DE2459104B2 (en) | 1979-07-12 |
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