[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer gekrümmten, scheibenförmigen
Magnetspule, insbesondere für Teilchenbeschleuniger-Anlagen, deren Leiter um einen
eine konvex geformte Außenseite und eine konkav geformte Innenseite aufweisenden Wickelkörper
mit somit teilweise negativer Krümmung unter Verwendung von den Leiter auf die Innenseite
des Wickelkörpers bzw. dort bereits aufgebrachte Leiterwindungen pressenden Elementen
gewickelt und nach dem Wickelvorgang in seiner Lage fixiert wird. Die Erfindung betrifft
ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
[0002] Eine entsprechende supraleitende Magnetspule ist z.B. aus der Literaturstelle "Fuji
Electric Review",Vol. 19, No. 3, 1973, Seiten 112 bis 118 bekannt. Diese aus Supraleitern
gewickelte Spule ist längs einer Kreisbogenlänge mit vorbestimmtem Radius und vorbestimmtem
Bogen -(Zentri-)-Winkel gekrümmt, so daß sie eine konvex geformte Außenseite und eine
konkav geformte Innenseite aufweist. Diese Magnetspule, deren Leiter durch Verstrebungen
zwischen diesen Seiten in ihrer geometrischen Lage fixiert werden, soll als Hubmagnet
zur berührungsfreien Schwebeführung eines Fahrzeugs längs einer Fahrbahn dienen.
[0003] Auch in Teilchenbeschleuniger-Anlagen müssen Speicherringe für geladene Teilchen
wie z.B. Elektronen aufgrund ihrer gekrümmten Teilchenbahnen entsprechend gekrümmte
Dipolmagnete aufweisen. Diese Magnete können dabei insbesondere halbkreisförmig gebogen
sein - (vergl. z.B. "IEEE Transactions on Nuclear Sience", Vol. NS-30, No. 4, August
1983, Seiten 2531 bis 2533). Wegen der erforderlichen hohen Feldstärken werden hierfür
bevorzugt supraleitende Wicklungen vorgesehen. Um eine unveränderte Lage der aus entsprechenden
Leitern zu erstellenden Windungen dieser Wicklungen zu garantieren, müssen diese zunächst
um einen entsprechend geformten Wickelkörper gewickelt und an diesen befestigt werden.
Dabei stellt sich jedoch das Problem des Wickelns mit negativem Krümmungsradius im
Bereich der konkaven Innenseiten der Wickelkörper.
[0004] Magnete, deren Wicklungen negative Krümmungen aufweisen, können beispielsweise durch
zugfreies Legen des mindestens einen Leiters in Nuten und anschließendes Verkeilen
hergestellt werden. Auch ist ein sukzessives Anklemmen des Leiters unter Verwendung
besonderer Anpreßelemente wie z.B. einzelner, am Außenrand des Wickelkörpers ortsfest
anzubringender Klemmen bekannt Die mit diesen Elementen jeweils angeklemmten Leiterstücke
müssen dann Stück für Stück an den Wickelkörper bzw. an gegebenenfalls auf diesen
schon aufgebrachten Leiterwindungen fixiert, beispielsweise angeklebt werden. Derartige
Wickeltechniken sind jedoch insbesondere für supraleitende Dipolmagnete von Speicherringen
sehr aufwendig und zeitraubend.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu schaffen, mit
dem eine großtechnische Herstellung von scheibenförmigen, gekrümmten Magnetspulen
auf verhältnismäßig einfache Weise ermöglicht wird, wobei insbesondere supraleitende
Leiter vorgesehen werden können.
[0006] Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst
daß der Leiter an den Wickelkörper oder an die dort bereits vorhandenen Leiterwindungen
im Bereich der konvex geformten Außenseite unter Zug aufgebracht und im Bereich der
konkav geformten innenseite unter demgegenüber vermindertem Zug mittels der an dieser
Seite entlangzuführenden, untereinander zumindest weitgehend regelmäßig beabstandeten
und eine vorbestimmte radiale Anpreßkraft ausübenden Anpreßelemente angefügt und dort
bis zur Fixierung gehalten wird.
[0007] Die mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens verbundenen Vorteile sind insbesondere
darin zu sehen, daß aufgrund der Verwendung einer Vielzahl von hintereinandergereihten
und längs der konkav geformten Innenseite des Wickelkörpers beweglich angeordneten
Anpreßelementen ein quasi-kontinuierlicher Wickelvorgang ermöglicht wird, indem der
Leiter mit einem dieser Elemente an den Wickelkörper angelegt und mit nachfolgenden
Elementen an diesem gehalten wird. Auf diese Weise ist eine Spule mit negativer Krümmung
auszubilden, ohne daß es einer besonderen, im allgemeinen sehr aufwendigen ortsfesten
Halterung einzelner Teile der Windungen während des Wickelvorganges bedarf.
[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit einer Vorrichtung durchgeführt
werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Anpreßelement eine Einrichtung mit
einer Andruckrolle zum Anpressen des Leiters von außen an die konkav geformte Innenseite
aufweist und daß die Anpreßelemente speichenartig an einem um den Mittelpunkt des
Krümmungsradius' dieser Innenseite drehbar gelagerten Trägerteil befestigt sind.
[0009] Vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der entsprechenden
Vorrichtung gehen aus den restlichen Unteransprüchen hervor.
[0010] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten
Weiterbildungen wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren
1 und 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch
in jeweils verschiedener Ansicht veranschaulicht ist Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße
Vorrichtung in Figur 1 entsprechender Darstellung. Dabei sind in den Figuren übereinstimmende
Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
[0011] Aus Fig. 1 ist in Draufsicht ein ebener Wickelkörper 2ersichtlich, wie er beispielsweise
für die Erstellung einer ebenen Dipolmagnetspule für einen Elektronenspeicherring
vorgesehen werden kann. Dieser Wickelkörper ist gemäß der Darstellung nach der Figur
bereits mit einer Teilwicklung 3 versehen. Die Wicklung ist dabei aus mindestens einem
flachen, insbesondere supraleitenden Leiter 4 zu erstellen, der einer in der Figur
nicht dargestellten Vorratstrommel entnommen und zur Bewicklung der Innenkontur des
Wickelkörpers über eine Umlenkrolle 5 dem jeweils dort zu bewickeinden Teilbereich
des Wickelkörpers bzw. der auf ihm bereits aufgebrachten Teilwicklung 3 zugeführt
wird.
[0012] Der sich längs einer vorbestimmten Bogenlänge b mit einem Bogen-bzw. Krümmungsradius
p erstreckende Wickelkörper g hat eine konstante Breite von 2 x s. Die Größe s ist
dabei der Abstand von der Bogenlinie b zu den beiden konzentrisch gekrümmten Längsseiten
6 und 7 des Wickelkems 2. Diese konstante Breite des Wickelkerns erstreckt sich allgemein
über eine Bogenlänge π • α • ρ/180°, wobei a der in Grad gemessene Zentri- oder Bogenwinkel
ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel soll a einen Wert von 180 ° haben.
Die stimseitigen Enden 8 und 9 des Wickelkerns g werden von Halbkreisen mit Durchmessern
von jeweils 2 x s gebildet Über diese Halbkreise ist somit die zu bewickelnde, konvex
geformte Außenseite 7 mit der zu bewickeinden, konkav geformten Innenseite 6 des Wickelkörpers
2 verbunden.
[0013] Erfindungsgemäß soll nun die Außenkontur des so gekrümmten und auf einem Wickeltisch
14 befestigten Wickelkörpers 2unter einem verhältnismäßig hohen und die Innenkontur
unter stark reduziertem Wickelzug quasi kontinuierlich mit dem mindestens einen Leiter
4 bewickelt werden. Hierzu sind besondere Anpreßelemente 11 vorgesehen, die an der
konkav geformten Innenseite 6 des Wickelkörpers entfangzuführen und untereinander
regelmäßig beabstandet sind. Mittels dieser Elemente 11wird eine vorbestimmte radiale
Anpreßkraft K auf den jeweiligen Teil des Leiters 4 ausgeübt, so daß dieser an der
konkav geformten Innenseite 6 des Wickelkörpers 2bzw. an dort bereits aufgebrachten
Leiterwindungen unverrückbar solange gehalten wird, bis die erstellte gesamte Wicklung
in ihrer Lage fixiert worden ist Die hierzu vorgesehene Wickelvorrichtung ist sowohl
der Draufsicht der Fig. 1 als auch aus dem entsprechenden Querschnitt der Fig. 2 zu
entnehmen.
[0014] Zur Bewicklung mit dieser Vorrichtung ist im Radiusmittelpunkt M der gekrümmten,
scheibenförmigen Wicklung 3 bzw. ihres Wickelkörpers 2 ein besonderes Trägerteil 13
drehbar in dem Wickeltisch 14 gelagert und mit einem Antrieb 15 versehen. Dieses Trägerteil
ist tellerförmig ausgebildet Da an ihm die einzelnen Anpreßelemente 11 speichenartig,
d.h. radial nach außen weisend befestigt sind und diese Elemente 11 jeweils eine Rolle
aufweisen, kann das tellerartige Trägerteil auch als Rollenteller bezeichnet werden.
[0015] Um nun den Leiter 4 unter entsprechend hohem Wickelzug auf die positiv, d.h. konvex
gekrümmte Außenseite 7 des Wickelkörpers 2 aufzuwickeln, wird der Wickeltisch 14 so
weit in die durch einen mit A gekennzeichneten Pfeil angedeutete Richtung gedreht,
bis die in Fig. 1 dargestellte "Stopp"-Stellung erreicht ist In dieser Stellung liegt
der von der Vorratstrommel abzuwickelnde Leiter 4 tangential etwa an dem äußersten
Scheitelpunkt S des halbkreisförmigen Endstückes 8 des Wickelkörpers 2 an. Dabei werden
die bereits auf den Wickelkörper aufgewickelten Windungen auch in dem mit B bezeichneten
Bereich des Endstückes 8, welcher sich von dem Scheitelpunkte S bis zum Anfang der
Außenseite 7 des Wickelkörpers erstreckt, aufgrund des hohen Wickelzuges und gegebenenfalls
einer zusätzlich angesetzten Klammer unverrückbar festgehalten.
[0016] Nach der Bewicklung über den Scheitelpunkt S hinaus wird der Wickelzug stark reduziert
und fortschreitend der Leiter 4 mittels eines Anpreßelementes 11 in die negative Krümmung
der Wicklung 3 gelegt, während die übrigen Elemente 11 lediglich zur Halterung des
Leiters in dem Bereich der konkaven Innenseite 6 dienen. Hierzu wird der die Anpreßelemente
tragende Rollenteller 13 in entsprechender, in der Figur durch einen mit C gekennzeichneten
Pfeil veranschaulichten Drehrichtung gedreht Die sich dabei ergebende, fortschreitende
Führung des aufzubringenden, über die Umlenkrolle 5 laufenden Leiters 4 ist in Fig.
1 durch gestrichelte Linien 4a bis 4e angedeutet
[0017] Zum Festhalten des Leiters
4 an der Innenseite 6 des Wickelkörpers 2 bzw. den dort bereits aufgebrachten Leiterwindungen
der Teilwicklung 3 enthalten die hierfür in entsprechender Anzahl vorzusehenden Anpreßelemente
11 jeweils eine Andruckrolle 16, welche am radial äußeren Ende eines Rollenarmes 17
befestigt ist Wie insbesondere aus Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die Rollenarme 17
radial verschiebbar. Sie werden jeweils in einer sogenannten Freizone F, in welcher
einzelne und dort mit 11' bezeichnete Anpreßelemente radial frei nach außen ragen,
d.h. nicht an der Innenkontur des Wickelkörpers 2 anzuliegen kommen, über eine Stellvorrichtung
18 auf das um die Leiterdicke der jeweils zuletzt aufgebrachten Leiterwindung reduzierte
Radiafmaß eingestellt Dabei sorgt ein elastisches Zwischenglied 19, welches nur in
radialer Richtung wirksam ist, für einen Toleranzausgleich und einen gleichmäßigen
Anpreßdruck K an die Wicklungsinnenkontur der konkaven Innenseite 6. Die Stellvorrichtung
18 wird für eine Kopplung mit einem Stelltrieb 20 in dem in Fig. 1 mit einem Winkel
y gekennzeichneten Drehbereich von dem Rollenteller 13 in Umfangsrichtung mitgenommen,
am Ende des Stellvorganges ausgeklinkt und durch eine Zugfeder 21 in ihre Ausgangsstellung
zurückgeschwenkt Der Drehwinkel y entspricht dabei z.B. dem zwischen zwei benachbarten
Anpreßelementen eingeschlossenen Bogen- oder Zentriwinkel.
[0018] Alle nicht von der negativen Krümmung eingeschlossenen Anpreßelemente in der Freizone
Z, die mit 11' gekennzeichnet sind, werden durch Schieber 23 auf einer Kurvenbahn
24 vertikal in Position gebracht, d.h. in dieser Freizone F sind die Anpreßelemente
unter die durch eine strichpunktierte Linie angedeutete Leiterebene 25 abgesenkt Dies
ist erforderlich, weil beim Wickeln im Kopfbereich B des Wickelkörperendstückes 8
der Leiter 4 diese Ebene schneidet Während des Wickelns der negativen Krümmung wird
der Leiter 4 über die Umlenkrolle 5, die ebenfalls absenkbar ist, geführt Gleichzeitig
wird der auch den Wickelkörper 2 tragende Wickeltisch 14 um einen Winkel β entgegen
dem Uhrzeigersinn in die in Fig. 1 durch eine gepfeilte Linie D dargestellte Richtung
gedreht Der Drehwinkel β kann dabei z.B. dem Ein- oder Mehrfachen des Bogenwinkels
zwischen zwei benachbarten Anpreßelementen entsprechen. Auf diese Weise läßt sich
eine Kollission des Leiters mit der Wicklung in diesem Bereich verhindern und wird
außerdem die Leiterführung am Auslauf der Andruckrollen verbessert Die nach diesem
Drehvorgang eingenommene Position des Wickelkörpers bzw. seiner Teilwicklung ist in
dieser Figur durch gestrichelte, mit 3' bezeichnete Linien angedeutet.
[0019] Die Leiterwindungen der so erstellten Wicklung werden schließlich noch in bekannter
Weise in ihrer Sollage fixiert, beispielsweise untereinander und mit dem Wickelkörper
verklebt
[0020] Bei der in Fig. 1 dargestellten Wickelvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wurden nur zwölf radial nach außen weisende Anpreßelemente 11bzw. 11' angenommen,
wobei der zwischen benachbarten Elementen ausgebildete Abstand eine verhältnismäßig
große Weite w aufweist Im allgemeinen wird man jedoch, um den Leiter 4 sicher an der
Innenseite 6 des Wickelkörpers halten zu können, diese Abstände wesentlich geringer
wählen. Da zugleich eine große Anzahl von Halte-oder Anpreßpunkten vorteilhaft ist,
ist dann bei verhältnismäßig kleinem Durchmesser d der Anpreßrollen 16 eine entsprechend
größere Anzahl von Anpreßelementen vorzusehen.
[0021] Fig. 3 zeigt eine weitere Wickelvorrichtung, die weitgehend der in Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung entspricht Diese Wickelvorrichtung unterscheidet sich von der Vorrichtung
nach Fig. 1 im wesentlichen nur durch eine geänderte Leiterfühung. Der Leiter 4 wird
hierbei zur Bewicklung der Innenseite 6 des Wickelkörpers 2bzw. dort bereits aufgebrachter
Leiterwindungen einer Teilwicklung 3 über eine nunmehr zentral angeordnete Umlenkrolle
27 geführt und über die Andruckrolle 28 eines Anpreßelementes 29 an die entsprechende
Innenkontur gelegt Um dabei die Biegebelastung des Leiters zu begrenzen, ist der Durchmesser
d' dieser Rolle gegenüber dem Durchmesser d der Andruckrollen
16 der übrigen Anpreßelemente 11 bzw. 11' verhältnismäßig groß gewählt Die Anpreßelemente
11 dienen lediglich zur Hafterung des Leiters an der Innenkontur. In der Figur ist
außerdem die fortschreitende Bewicklung der Innenkontur, wobei vorteilhaft eine Gegendrehung
des Wickeltisches 14 wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 nicht mehr erforderlich ist,
durch entsprechende, einzelne Positionen der Rolle 28 bzw. des Leiters gestrichelt
angedeutet Die einzelnen Leiterpositionen sind mit 4'a bis 4'g bezeichnet Dabei sind
die Drehrichtungen A' und C' des Wickeltisches 14 bzw. des Rollentellers 13 gegenüber
den entsprechenden Drehrichtungen A und C der Vorrichtung nach Fig. 1 umgekehrt
[0022] Bei den erfindungsgemäßen Wickelvorrichtungen können alle Antriebe der Stellglieder
sowohl mechanisch als auch hydraulisch oder pneumatisch ausgeführt werden. Die Steuerung
aller Bewegungen im Ablauf des Wickelprozesses erfolgt z.B. durch eine elektronisch
geregelte Folgesteuerung. Die Bewegungsabläufe lassen sich jedoch auch über Programm-
und NC-Steuerungen regeln, weil hier Eingriffe durch Programmänderung auf einfache
Weise möglich sind.
[0023] Wie insbesondere aus den Figuren 1 und 3 hervorgeht, wurde dem Ausführungsbeispiel
der Wickelvorrichtung ein gekrümmter Wickelkörper 2 zugrunde gelegt, dessen Zentri-
oder Bogenwinkel a zu 180° gewählt ist Magnetspulen mit entsprechender Gestalt werden
insbesondere für Speicherringe von Elektronenbeschleuniger-Anlagen vorgesehen. Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. den entsprechenden Vorrichtungen lassen sich
jedoch in entsprechender Weise auch gekrümmte Wickelkörper mit kleineren Bogenwinkeln
bewickeln.
[0024] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. den entsprechenden Vorrichtungen können
vorteilhaft auch sogenannte Doppelscheiben auf verhältnismäßig einfache Weise großtechnisch
hergestellt werden, indem man diese aus Einzelscheiben gemäß den angenommenen Ausführungsbeispielen
zusammensetzt
1. Verfahren zur Herstellung einer gekrümmten, - scheibenförmigen Magnetspule, insbesondere
für Teilchenbeschleuniger-Anlagen, deren Leiter um einen eine konvex geformte Außenseite
und eine konkav geformte Innenseite aufweisenden Wickelkörper mit somit teilweise
negativer Krümmung unter Verwendung von den Leiter auf die Innenseite des Wickelkörpers
bzw. dort bereits aufgebrachte Leiterwindungen pressenden Elementen gewickelt und
nach dem Wickelvorgang in seiner Lage fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der
Leiter (4) an den Wickelkörper (2) oder an die dort bereits vorhandenen Leiterwindungen
(Teilwicklung 3) im Bereich der konvex geformten Außenseite (7) unter Zug aufgebracht
und im Bereich der konkav geformten Innenseite (6) unter demgegenüber vermindertem
Zug mittels der an dieser Seite (6) entlangzuführenden, untereinander zumindest weitgehend
regelmäßig beabstandeten und eine vorbestimmte radiale Anpreßkraft (K) ausübenden
Anpreßelemente (11, 29) angefügt und dort bis zur Fixierung gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (4) mittels der
Anpreßelemente 11, 29) mechanisch oder pneumatisch oder hydraulisch an den Wickelkörper
(2) oder an bereits vorhandene Leiterwindungen (Teilwicklung 3) angepreßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein supraleitender
Leiter (4) auf den Wickelkörper (2) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule
aus einer oder mehreren ebenen Wicklungen um den Wickelkörper (2) aufgebaut wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes Anpreßelement (11, 11', 29) eine Einrichtung mit einer Andruckrolle
(16, 28) zum Anpressen des Leiters (4) von außen an die konkav geformte Innenseite
(6) aufweist und daß die Anpreßelemente speichenartig an einem um den Mittelpunkt
(M) des Krümmungsradius dieser Innenseite (6) drehbar gelagerten Trägerteil (Rollenteller
13) befestigt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß auf einem Wickeltisch
(14) neben dem Trägerteil (Rolienteller 13) auch der Wickelkörper (2) angeordnet ist,
der gegebenenfalls auf einer um den Mittelpunkt (M) des Krümmungsradius' seiner Innenseite
(6) konzentrischen Kreisbahn verschiebbar ausgebildet ist
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im Bereich
(Freizone F) außerhalb des Bereichs des Wickelkörpers (2) befindenden Anpreßelemente
(11') gegenüber den auf den Wickelkörper - (2) einwirkenden Anpreßelementen (11, 29)
vertikal unter die Leiterwickelebene (25) abgesenkt sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
Anpreßelement (11, 11', 29) einen Rollenarm (17) aufweist, an dessen radialem äußeren
Ende die Andruckrolle (16, 28) befestigt ist und der radial verschiebbar bzw. einstellbar
gestaltet ist
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
Anpreßelement (11, 11', 29) ein nur in radialer Richtung wirksames elastisches Zwischenglied
(19) aufweist
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
den Leiter (4) an die Innenseite (6) des Wickelkörpers (2) bzw. an dort bereits aufgebrachte
Leiterwindungen (Teilwicklung 3) anlegende Andruckrolle (28) des entsprechenden Anpreßelementes
- (29) einen größeren Durchmesser (d') als die Andruckrollen (16) der übrigen Anpreßelemente
(11, 11') aufweist
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Umlenkrolle (5, 27) vorgesehen ist, über welche der Leiter (4) der ihn an die Innenseite
(6) des Wickelkörpers (2) bzw. an dort aufgebrachte Leiterwindungen (Teilwicklung
3) anlegenden Andruckrolle (16, 28) des entsprechenden Anpreßelementes - (11, 29)
zuzuführen ist
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkrolle (27) im Mittelpunkt (M) des Krümmungsradius'
der Innenseite (6) des Wickelköreprs - (2) drehbar befestigt ist
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkrolle
(5, 27) unter die Leiterwickelebene (25) absenkbar gestaltet ist.