Titel: Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes

Die Erfindung betrifft eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes mit wenigstens einer aus einem Supraleiter gefertigten, m einen Kunststoff eingegossenen Wicklung, wobei ein am Umfang der Wicklung angeordnetes Wicklungsende als eine Kontaktierung für einen elektrischen Leiter dient.

Spulen mit einer aus einem Supraleiter gefertigten Wicklung kommen im Motor-, Generator- und Magnetbau zum Einsatz, falls die Vorteile des geringen Widerstands von gekühlten Supraleitern ausgenutzt werden sollen. Häufig werden Hochtemperatur-Supraleiter eingesetzt, die aus einem spröden Komposit aus Keramik und Metall bestehen, aber selbst bei Zimmertemperatur und insbesondere bei tieferen Temperaturen keine großen Zug- oder Scherkräfte aufnehmen können. Außerdem verlieren Supraleiter durch die Kühlung ihre bei Zimmertemperatur bereits geringe Elastizität weiter. Bei der Montage der Spulen wird das Wicklungsende meist durch Anlöten eines metallischen oder supraleitenden Leiters kontaktiert. Auf den angelöteten Leiter übertragene Zug- und Querkräfte können die Wicklung beschädigen, wodurch bei einem unvorsichtigen Umgang mit der Kontaktierung die Wicklung im schlimmsten Fall zerstört werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, Spulen mit Wicklungen aus Supraleitern zu schaffen, die bei einfacher Herstellung eine robuste Kontaktierung ermöglichen und bei denen ein verringertes Risiko der Beschädigung der Wicklung besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kontaktierung ein elektrisch leitfähiges Anschlussstück mit einem flächig mit dem Wicklungsende verbundenen Fußbereich und einem Kopfbereich zum Anschließen des Leiters aufweist, wobei der Fußbereich in radia-

ler Richtung teilweise von einer in den Kunststoff eingegossenen, die Wicklung zumindest teilweise umgreifenden Verstärkungsemlage überdeckt ist. Dies hat den Vorteil, dass das Anschlussstück gegenüber der Wicklung durch die in den Kunststoff eingegossene Verstärkungsemlage stabilisiert ist. Gegebenenfalls an dem Anschlussstück angreifende Kräfte werden durch die Verstärkungsemlage großflächig auf den die Spule umhüllenden Kunststoff übertragen, wodurch insbesondere das Wicklungsende von diesen Kräften entlastet ist.

Vorzugsweise umgreift die Verstärkungsemlage ergänzt mit dem Anschlussstück die Wicklung vollständig, wodurch lokale Druck- und Zugbelastungen an der Wicklung verhindert werden. Die Verstärkungsemlage und das Anschlussstück bilden vorzugsweise eine in sich geschlossene Zugentlastung. In einer vorteilhaften Ausführung besteht die Verstärkungseinlage aus einem die Wicklung umgreifenden Ring, wie insbesondere einem vorgefertigten, ausreichend stabilen Band o- der geteilten Ringkörper.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung, kann der Fußbereich an beiden gegenüberliegenden Querseiten Schenkel aufweisen, wodurch der Fußbereich großflächig am Wicklungsende anliegen kann und auch die Verstärkungseinlage die Schenkel an dem Wicklungsende großflächig überdecken kann. Diese Schenkel können in Umfangsrichtung über die Querseiten des Anschlussstücks im Kopfbereich hinausragen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung überdeckt die Verstärkungseinlage dann beide Schenkel und erstreckt sich am Umfang einer Außenwindung der Wicklung entlang von einem zum anderen Schenkel, wodurch eine Umreifung der Wicklung entlang des Umfangs entsteht. Durch diese Umreifung ist die Spule am Umfang der Wicklung vor Stößen geschützt. In einer alternativen Ausgestaltung können zwei Verstär- kungsemlagen quer zur Wicklung angeordnet sein, die je einen der Schenkel quer überdecken und anschließend die Wicklung seitlich an Vorder- und Rückseite umgreifen. Die Verstärkungseinlagen können dann vorzugsweise einen Wickelkörper, auf den die Wicklung aufgewickelt ist, durchfassen, um die Wicklung vollständig zu umgreifen. Die Verstärkungseinlage kann alternativ an dem Wickelkörper befes-

tigt sein, sodass das Anschlussstück über die Verstärkungseinlage an dem Wickelkorper abgestutzt ist.

Unabhängig von der Anordnung der Verstarkungseinlage an der Wicklung ist es vorteilhaft, wenn die Verstarkungseinlage in wenigstens eine Ausnehmung zwischen dem Kopfbereich und dem Fußbereich insbesondere formschlussig einfaßt, wodurch das Anschlussstuck ebenfalls stabilisiert ist Das Anschlussstuck kann an beiden Querseiten jeweils eine nutformige Ausnehmung aufweisen, in welche die Verstarkungseinlage, falls sie sich entlang des Umfangs erstreckt, mit beiden Stirnseiten emfasst oder durch welche sie hindurchgreift. Falls zwei Verstar- kungsemlagen an der Vorder- und Rückseite quer zu der Wicklung angeordnet sind, können diese seitlich in die Ausnehmungen einfassen. Die Verstärkungseinlage kann zusatzlich in den Ausnehmungen festgeklemmt sein.

Der Kunststoff ist vorzugsweise eine Elektroimpragnierungs- bzw. eine Vergussmasse. Das Eingießen bzw. Imprägnieren der Spule in Kunststoff erfolgt vorzugsweise durch Vakuum- Imprägnieren bzw. im Vakuum- Impragnierungs-Verfahren, wobei der Kunststoff in vorteilhafter Weise aus einem Harz, insbesondere einem Epoxydharz, besteht Die Spule ist vorzugsweise als Doppelscheibenspule ausgeführt, die durch zwei nebeneinander angeordnete, gegenläufig gewickelte und an der Wicklungsinnenseite ineinander übergehende Wicklungen gebildet ist, sodass beide Wicklungsenden am Umfang angeordnet sind und jeweils mit einem Anschlussstuck versehen sind. Diese auch als "Doublepanca- ke-Spulen" bezeichneten Doppelscheibenspulen haben den Vorteil, dass die Kontaktierung am leicht zugänglichen Umfang erfolgt Die beiden Anschlussstücke sind zweckmäßig parallel zueinander und durch einen Spalt voneinander isoliert angeordnet. In dem Spalt kann weiter zweckmäßig eine Isolierschicht angeordnet sein.

Die Wicklung ist vorzugsweise aus einem Hochtemperatur-Supraleiter gefertigt, was den Vorteil hat, dass die Spule mit Stickstoff - ohne sich darauf einzuschränken- gekühlt werden kann. Die Wicklung ist zweckmäßig aus einem Bandleiter oder einer Schichtung aus Bandlei- tern gewickelt, der vorzugsweise in der "Pulver- im-Rohr" -Technik

oder als Dunnschichtleiter gefertigt ist. Beim Verlöten des Fußbereichs mit dem Wicklungsende wird vorzugsweise ein Lot mit einer hohen Schmelztemperatur verwendet. Em Leiter kann dann mit einem Lot niedrigerer Schmelztemperatur an den Kopfbereich angelötet werden, ohne dass ein Schmelzen des Lotes am Fußbereich auftreten kann Für das Lot am Kopfbereich kann bspw handelsübliches Elektroniklot verwendet werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung gezeigten Aus- fuhrungsbeispielen für erfindungsgemäße Spulen. In der Zeichnung zeigt •

Fig. 1 schematisch in Ansicht auf die Vorderseite eine er- findungsgemaße Spule mit einem Anschlussstück gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ;

Fig. 2 in Schnittansicht ein Detail der Spule aus Fig 1;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die obere Spulenhalfte einer Doppelscheibenspule mit daran angeordneten An- schlussstucken;

Fig. 4 eine Detailansicht ähnlich zu Fig. 2 mit einem An- schluεsstύck gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch die obere Spulenhälfte einer Doppelscheibenspule mit einem dritten Ausführungsbeispiel eines Anschlussstücks,- und

Fig. 6 eine Detailansicht einer Spule mit einem Anschlussstuck gemäß einem vierten Ausfuhrungsbeispiel und einer quer zur Wicklung verlaufenden Verstarkungs- emlage

Fig. 1 zeigt schematisch eine Spule 10 zum Erzeugen eines Magnetfeldes mit einer auf einen rohrförmigen Wickelkörper 11 gewickelten Wicklung 12. Die Wicklung 12 besteht aus einem mit übereinanderlie- genden Windungen gewickelten Bandleiter, der in der „Pulver im Rohr" -Technik aus einem keramischen Hochtemperatursupraleiter gefertigt ist. Hier kann auch ein Dünnschichtleiter oder ein Stapel von Dünnschichtleitern verwendet werden. Ein Anschlussstύck 30 dient zur Kontaktierung der Wicklung 12. Das hier blockfόrmige Anschlussstück 30 besteht aus Kupfer und weist an beiden in Umfangsrichtung bzw. Wickelrichtung weisenden Querseiten 30a, 30b zwischen einem Fußbereich 31 und einem Kopfbereich 32 jeweils eine schlitzförmige Ausnehmung 36 auf, wodurch am Fußbereich 31 ein kurzer Schenkel 33 an der Querseite 30a und ein kurzer Schenkel 34 an der Querseite 30b gebildet wird. Der Fußbereich 31 ist an den Längsseiten des Anschlussstücks 30 am Umfang 13 der Wicklung 12 angelötet. Fig. 2 zeigt, dass der Fußbereich 31 dabei an einem Wicklungsende 19 der Wicklung 12 flächig anliegt und durch eine nicht dargestellte Lötung befestigt ist. Am Kopfbereich 32 des Anschlussstücks 30 ist eine elektrisch leitfähige Zuleitung 15 angelötet, die vorzugsweise aus einem Normalleiter oder einem weiteren Supraleiter besteht.

Am Umfang 13 der Wicklung 12 liegt eine Verstärkungseinlage 14 an, die sich von der Querseite 33a des Anschlussstücks 30 entlang des Umfangs 13 bis zu der anderen Querseite 33b erstreckt. Fig. 2 zeigt, dass die Verstärkungseinlage 14 dabei jeweils mit ihren Enden in die Ausnehmungen 36 emfasst und dadurch beide Schenkel 33, 34 überdeckt. Die Wicklung 12 ist zusammen mit dem rohrförmigen Wickelkörper 11, der Verstärkungseinlage 14 und dem Anschlussstück 30 in Epo- xyd-Harz 20 eingegossen. Die Verstärkungseinlage 14 kann aus einem Verstärkungsband oder einem Ring mit ausreichender Eigensteifigkeit und/oder einer Faserverstärkung bestehen. Die Verstärkungseinlage kann jedoch auch aus losen oder gebundenen Verstärkungsfasern wie insbesondere Glasfasern bestehen, die mit in den Kunststoff eingegossen sind. Die Verstärkungseinlage 14 und das im Fußbereich partiell von dieser überdeckte Anschlussstück 30 bilden dadurch eine in sich geschlossene Zugentlastung für die Kontaktierung. Die Wirkung der Verstärkungseinlage 14 ist besonders gut, da diese den Fußbe-

reich 31 des Anschlussstücks 30 partiell, nämlich im Bereich beider kurzer Schenkel 33, 34 in Radialrichtung überdecken.

Fig. 3 zeigt ein insbesondere bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung mit zwei miteinander verbundenen, gegenläufig gewickelten Wicklungen 112a und 112b, die dabei eine sogenannte „Doublepancake"- oder Doppelscheibenspule 110 bilden. Die Wicklungen 112a, 112b sind aus einem bandförmigen Supraleiter gewickelt. Die Wicklungen 112a und 112b gehen am Außenumfang 116 des Wickelkörpers 111 über eine gemeinsame innere Windung 112c ineinander über. Am Außenumfang 113a der Wicklung 112a ist ein Anschlussstück 150 und am Außenumfang 113b der Wicklung 112b ist ein zweites Anschlussstück 130 angelötet, die baugleich zu dem in Fig. 1 dargestellten Anschlussstück 30 ausgeführt sind. Um Wiederholungen zu vermeiden, sei hier auf die Beschreibung des in Fig. 1 und 2 dargestellten Anschlussstücks 30 verwiesen.

Die beiden Anschlussstücke 130, 150 sind parallel zueinander und nebeneinander angeordnet und um einem isolierenden Spalt 118 voneinander beabstandet. Die Wicklungsteile 112a und 112b sind durch eine Isolierschicht 117 voneinander getrennt, die sich weiter in den Spalt 118 zwischen die beiden Anschlussstücke 130, 150 erstreckt. Die ganze Spule 110 ist, nachdem die Anschlussstücke 130, 150 an den Wicklungsenden angelötet wurden und die Verstärkungseinlagen 113a, 113b um die Wicklungen 112a, 112b gelegt wurden, in Epoxyd-Harz 120 eingegossen, das als zusätzliche Isolierung auch den Spalt 118 füllt sowie die Seitenflächen der Anschlussstücke 130, 150 bedeckt. Nur die Kopfseiten 135 und 155 der Anschlussstücke sind von dem Epoxyd- Harz 120 freigelegt, um bei der Spule 110 Normalleiter an die Anschlussstücke 130, 150 zur elektrischen Kontaktierung der Wicklungen 112a und 112b anlöten zu können.

Fig. 4 zeigt eine Spule 210 mit einem aus Kupfer gefertigten Anschlussstück 230 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das großflächig an einer Wicklung 212 mit in Wickelrichtung bzw. Umfangs- richtung über einen Kopfbereich 232 herausragenden Schenkeln 233, 234 angelötet ist. Durch die langen Schenkel 233, 234 ist das An-

schlussstück 230 sehr gut leitend mit der Wicklung 212 verbunden. Das Anschlussstück 230 ist zwischen dem Kopfbereich 232 und einem Fußbereich 231 mit zwei schlitzförmigen Ausnehmungen 23S versehen, in die eine Verstärkungseinlage 214 mit ihren Enden eingreift. Die Wicklung 212, die Verstärkungseinlage 214 und das Anschlussstück 230 sind in Epoxyd-Harz 220 eingegossen. An den die Ausnehmungen 236 aufweisenden Querseiten 230a und 230b des Kopfbereichs 232 liegen zwei S-förmige Haltelagen 237 und 238 aus einem ebenfalls in das Epoxyd-Harz 220 eingegossenen Glasfaservlies an, welche die Kopfseite 235 des Kopfbereichs 232 partiell übergreifen, sodass auch der Kopfbereich 232 durch die Haltelagen 237, 238 stabilisiert ist. An die Kopfseite 235 ist eine Zuleitung 215 angelötet.

Fig. 5 zeigt eine Doppelscheibenspule 310 mit einer ersten Wicklung 312a und einer zweiten Wicklung 312b aus einem bandförmigen Supraleiter, wie in Fig. 3 beschrieben, die mit zwei Anschlussstücken 330 und 350 verlötet sind. Das Anschlussstück 350 ist entlang seiner außenliegenden Längsseite 350a mit einer schlitzförmigen Ausnehmung 31Sa versehen und das Anschlussstück 330 ist an seiner außenliegenden Längsseite 330b mit einer schlitzförmigen, in Wickelrichtung erstreckenden Ausnehmung 316b versehen. Eine ringförmige Verstärkungseinlage 314a ist in die Ausnehmung 316a eingesetzt und eine ringförmige Verstärkungseinlage 314b ist in die Ausnehmung 316b eingesetzt. Die massiven, gegebenenfalls geschlossen ausgeführten Ringe 314a, 314b umschließen die Wicklungen 312a, 312b entlang ihres Um- fangs und sind dabei mit den Wicklungen 312a, 312b in ein Epoxyd- Harz 320 eingegossen. Anstelle ringförmiger Verstärkungseinlagen 314a, 314b könnten auch Fasern oder Fasermatten oder dergleichen in die seitlichen Ausnehmungen 316a, 316b eingefügt sein.

Fig. 6 zeigt an einer Spule 410 eine Wicklung 412 mit einem Anschlussstück 430, das ähnlich wie das in Fig. 4 gezeigte Anschlussstück an den Querseiten mit den Fußbereich 431 in Umfangsrichtung verlängernden Schenkeln 433, 434 versehen ist, die über die Querseiten des Kopfbereichs 432 hinausragen. Oberhalb der Schenkel 433, 434 ist das Anschlussstück 430 mit zwei schlitzförmigen Ausnehmungen 436 versehen. Der eine Schenkel 434 ist von einer ersten quer zur Wick-

lung 412 verlaufenden Verstärkungseinlage 414a überdeckt und der andere Schenkel 433 ist von einer ebenfalls quer zur Wicklung 412 verlaufenden zweiten Verstärkungseinlage 414b überdeckt. Die beiden Verstärkungseinlagen 414a, 414b bestehen beispielweise aus mehreren Glasfaserstreifen, die zusammen die Wicklung 412 umgreifen und mit dem Anschlussstück 430 und der Wicklung 412 in einen Kunststoff 420 eingegossen sind. Beide Verstärkungseinlagen können hierbei in eine Innenöffnung eines Wickelkörpers eingreifen oder diesen durchfassen, sodass sie das Anschlussstück 430 an beiden Schenkeln 433, 434 relativ zum Wickelkörper in Radialrichtung festlegen.

Bei den in den Figuren, insbesondere in den Figuren 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ragt der Kopfbereich 32, 232 des Anschlussstücks 30, 230 um ein Teilstück radial über die Verstärkungseinlage 14, 214 und den diese einbettenden Kunststoff 20, 220 hinaus. Der bei diesen Ausführungsbeispielen überstehende Teilbereich könnte auch nachträglich entfernt, z.B. abgeschliffen oder abgetragen werden, so dass er vorzugsweise bündig mit dem Kunststoff, in den die Verstärkungseinlage eingegossen ist, abschließt, oder es wird bereits bei der Montage ein Anschlussstück (nicht gezeigt) verwendet, das nur einen in Radialrichtung kurzen, über die Schenkel bzw. den Fußbereich überstehendes Kopfbereich hat, der nach eingießen bzw. einbetten in Kunststoff wiederum vorzugsweise bündig mit dem Kunststoff abschließt. Bei dieser Ausgestaltung könnten dann auch keine Ausnehmungen zwischen Fußbereich und Kopfbereich für den Eingriff der Enden der Verstärkungseinlagen ausgebildet sein.

Für den Fachmann sind aus der Beschreibung zahlreiche Modifikationen ersichtlich, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen.