DE102006001817A1

DE102006001817A1 - Electromagnet made of temperature-resistant material

Info

Publication number: DE102006001817A1
Application number: DE200610001817
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Brinkmann; Gerald Fast; Michael Hesselschwerdt; Ralf Vollmer
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2007-07-26
Also published as: EP1808869A2; EP1808869A3

Abstract

Ein Elektromagnet in solenoidaler Bauweise ist bei Temperaturen bis zu 600 DEG C in zwei Zustände, den magnetfelderzeugenden und den magnetfeldlosen, wahlweise versetzbar. Der Spulenkörper ist aus betriebstemperaturbeständigem, nichtmagnetischem Metall oder einer Keramik oder aus Quarzglas und hat einen freien zentralen Durchgang. Der Spulendraht ist aus Eloxaldraht oder aus einem mit Glasseide ummantelten Metalldraht.An electromagnet with a solenoidal design can be switched to two states at temperatures of up to 600 ° C., the magnetic field generating and the magnetic field free. The coil body is made of non-magnetic metal or a ceramic or quartz glass which is resistant to operating temperatures and has a free central passage. The coil wire is made from anodized wire or from a metal wire sheathed with glass fiber.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet in Form eines Solenoids, dessen Spulenkörper und die darauf aus einem elektrisch isolierten Draht aufgewickelte Spule aus temperaturbeständigem Material sind.The The invention relates to a solenoid in the form of a solenoid, its bobbin and the wound thereon from an electrically insulated wire Coil made of temperature resistant Material are.

Der Elektromagnet ist ein Solenoid und für das Arbeiten in Umgebungen mit höheren Temperaturen, beispielsweise mehr als 100°C, vorgesehen. Das Solenoid umgibt den Leitungsabschnitt einer fluidführenden Leitung, in dem ein verschließ- und öffenbarer Mechanismus sitzt, der über ein auf ihn wirkendes Magnetfeld die Leitung verschließt oder öffnet oder umgekehrt. Das Solenoid zusammen mit diesem Leitungsabschnitt bilden ein Magnetventil.Of the Electromagnet is a solenoid and for working in environments with higher Temperatures, for example, more than 100 ° C, provided. The solenoid surrounds the line section of a fluid-carrying line, in which a capping and openable Mechanism sits over a magnetic field acting on it closes or opens the conduit or vice versa. Form the solenoid together with this line section a solenoid valve.

Aus verfahrenstechnischen Anlagen sind zur schaltungstechnischen Erzeugung von Magnetfeldern Magnetspulen oder Elektromagnete bekannt, deren Kupferdrahtwicklung aus übereinander liegenden Wicklungslagen bestehen, wobei der Spulendraht zur elektrischen Isolation anliegender Drahtwicklungen eine Lackschicht besitzt. In Betriebssituationen bis etwa 200°C können solche lackbeschichteten Spulendrähte noch verwendet werden, darüber hinaus beginnt sich eine solche elektrisch isolierende Lackschicht thermisch zu zersetzen.Out Process plants are for circuit production Magnetic coils or electromagnets known from magnetic fields Copper wire winding from one another lying winding layers exist, wherein the coil wire for electrical Insulation of adjacent wire windings has a lacquer layer. In operating situations up to about 200 ° C, such paint-coated can coil wires still be used beyond that Such an electrically insulating lacquer layer begins thermally to decompose.

In einer speziellen verfahrenstechnischen Einrichtung ließe sich der Aufbau konstruktiv vereinfachen, wenn Magnetventile bei Temperaturen über 200°C bis etwa 600°C problemlos betrieben werden könnten. Elektromagnete, die in solchen Temperaturbereichen betrieben werden können, sind nicht erhältlich. Deshalb stellte sich die Aufgabe, einen Elektromagneten in solenoidaler Bauweise und mit zentralem Durchgang zu entwickeln und bereit zu stellen, um anlagentechnische Bereiche nicht mit einem zusätzlichen thermotechnischen, wirtschaftlich teuren Aufwand versehen zu müssen.In a special procedural device could be structurally simplify the design, if solenoid valves at temperatures above 200 ° C to about 600 ° C easily could be operated. Electromagnets that operate in such temperature ranges can, are not available. Therefore, the task turned, an electromagnet in solenoidaler Design and with a central passage to develop and ready to do not provide to plant engineering areas with an additional to provide thermotechnical, economically expensive effort.

Die Aufgabe wird durch einen Elektromagneten, der die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Elektromagnet ist ein Solenoid und bei Temperaturen bis zu 600° C in zwei Zustände, den magnetfelderzeugenden und den magnetfeldlosen, versetzbar. Um eine solche betriebliche Temperaturumgebung auszuhalten, ist der Spulenkörper aus einem nichtmagnetischen Metall oder aus einer Keramik oder aus Quarzglas gefertigt. Als Baukomponente im Zusammenwirken mit andern Komponenten hat der Elektromagnet einen freien zentralen Durchgang. Die Temperaturumgebung bis 600°C hat auch der Spulendraht unbeeinflusst auszuhalten und ist deshalb etwa aus Eloxaldraht, einem elektrisch oxidierten Aluminiumdraht, dessen Oxidschicht zur Umgebung hin elektrisch isoliert, oder aus einem mit Glasseide ummantelten Metalldraht. In beiden Fällen sind auf dem Spulendraht dünne elektrische Isolationsschichten herstellbar, so dass der auf den Spulenkörper zur Spule gewickelte Draht mit einer hohen Packungsdichte gewickelt werden kann. Dadurch kann mit beschränktem Elektromagnet-/Solenoidvolumen entlang der und um die Magnetfeldachse ein genügend starkes Magnetfeld zur sicheren Ventilbetätigung erreicht werden.The Task is by an electromagnet, which is the characteristic Features of claim 1, solved. The electromagnet is a solenoid and at temperatures up to 600 ° C in two states, the magnetic field generating and the magnetic fieldless, displaceable. Around To endure such an operational temperature environment is the bobbins made of a non-magnetic metal or of a ceramic or of Made of quartz glass. As a building component in interaction with other components the electromagnet has a free central passage. The temperature environment up to 600 ° C The coil wire also has to endure unaffected and is therefore such as anodized wire, an electrically oxidized aluminum wire, whose oxide layer is electrically insulated from the environment, or from a metal wire encased in glass silk. In both cases thin on the coil wire electrical insulation layers can be produced, so that on the bobbins Wound to the coil wound wire with a high packing density can be. This can be done with limited solenoid / solenoid volume along and around the magnetic field axis a sufficiently strong magnetic field for safe valve actuation be achieved.

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen beschrieben und spezifiziert. Nach Anspruch 2 besteht der Spulenkörper aus einem im Betriebstemperaturbereich formstabilen Edelstahl oder Messing oder einer nichtmagnetischen Metalllegierung. Vorzugsweise aus mit Drehautomaten oder Zieheinrichtungen bearbeitbarem Material.In the dependent claims Embodiments are described and specified. According to claim 2 consists of the bobbin from a dimensionally stable in the operating temperature range stainless steel or Brass or a non-magnetic metal alloy. Preferably from material that can be processed with automatic lathes or drawing devices.

Alternativ, wegen sicherer elektrischer Isolationsfestigkeit, kann das keramische Spulenkörpermaterial aus einer auf Silizium basierenden Keramik insbesondere Aluminiumsilikat oder Magnesiumsilikat oder aus einer Oxidkeramik insbesondere Aluminiumoxid sein. Diese Materialien sind zur Keramisierung in ihrer Geometrie derart vorformbar, dass das Endmaß zumindest mit tolerabler Toleranz erreicht wird, andrerseits sind sie auch maschinenbearbeitbar, etwa spanabhebend oder schleifend. Ebenfalls alternativ ist Quarzglas wegen seiner sehr guten Temperaturbeständigkeit. Problematisch jedoch in der genauen Endmaßbearbeitung, weil dann nur noch über Diamantschleifen zugänglich, aber für spezielle Problemlösungen im Aufwand gerechtfertigt.Alternatively, because of safe electrical insulation, the ceramic can Bobbin material from a silicon-based ceramic, in particular aluminum silicate or magnesium silicate or of an oxide ceramic, in particular aluminum oxide be. These materials are for ceramization in their geometry preformable such that the final dimension at least with tolerable Tolerance is achieved, on the other hand, they are also machinable, about cutting or grinding. Also alternative is quartz glass because of its very good temperature resistance. Problematic, however in the exact final machining, because then only about Diamond grinding accessible, but for special troubleshooting justified in the effort.

Nach Anspruch 3 ist der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs durch den Spulenkörper rund und der Querschnittsrand hat an jeder Stelle einen von innen nach außen gerichteten Krümmungsradius. Die einfachsten Formen dazu sind der Kreis und die Ellipse oder eine ovale Form. Etwas aufwändigere Formen sind polygonale Formen mit abgerundeten Ecken also insgesamt einfach konvexe, glatte Formen. Alternativ kann der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs polygonal, mindestens dreieckig sein. Alle lichten, einfach konvexen Querschnittformen außer der kreisrunden sind verdrehsicher. Der Spulengrund verläuft in beiden Fällen, dem runden und polygonal lichten Querschnitt, rund um den freien zentralen Durchgang unter Wandbildung und hat einen stets nach außen gerichteten Krümmungsradius derart, dass der kleinste Krümmungsradius mindestens gleich dem kleinsten zulässigen Biegeradius des auf den Spulengrund zu wickelnden Spulendrahtes ist. Beim Spulenwickeln muss strikt darauf geachtet werden, dass der Spulendraht an keiner Stelle einen Knick erfährt, da dort einerseits die Isolationsschicht bzw. der Isolationsmantel zumindest beeinträchtigt wird, wenn nicht sogar gleich aufbricht. Andrerseits kann das Metallgefüge des Spulendrahtes verändert und damit die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt sein, wenn nicht sogar ein Drahtbruch zustande kommt.According to claim 3, the clear cross section of the free central passage through the bobbin is round and the cross-sectional edge has at each point a directed from the inside to the outside radius of curvature. The simplest shapes are the circle and the ellipse or an oval shape. Slightly more elaborate shapes are polygonal shapes with rounded corners so overall convex, smooth shapes. Alternatively, the clear cross section of the free central passage may be polygonal, at least triangular. All clear, simply convex cross-sectional shapes other than the circular ones are non-rotating. The coil base extends in both cases, the round and polygonal clear cross section, around the free central passage with wall formation and has an always outward radius of curvature such that the smallest radius of curvature is at least equal to the smallest allowable bending radius of the wound on the coil base coil wire , When winding coils, care must be taken to ensure that the coil wire does not experience any kinking at any point, since on the one hand the insulation layer or the insulation jacket is at least impaired, if not even broken up. On the other hand, the metal structure of the coil wire can be changed and thus the electrical be reduced conductivity, if not even a wire break occurs.

Zur örtlichen Führung/Beschränkung des Magnetfeldes außerhalb des Elektromagneten kann dieser nach außen hin mit einer Hülse aus magnetisierbarem Material, üblicherweise Weicheisen, ummantelt sein, unter Umständen zusätzlich noch an den freien Stirnseiten (Anspruch 4).To the local Leadership / limitation of the magnetic field outside of the electromagnet this can outwardly with a sleeve magnetizable material, usually Soft iron, be sheathed, under certain circumstances also still on the free end faces (Claim 4).

Ein so aufgebauter Elektromagnet, aufgebautes Solenoid, eine so aufgebaute Elektrospule steht Temperaturumgebungen bis 600°C im Dauerbetrieb sicher durch. Die sehr dünne Isolationsschicht insbesondere beim Wicklungsdraht aus Eloxal lässt eine hohe Wicklungsdichte bei der Spule und damit ein minimales Spulenvolumen zu. Das erforderlich starke Magnetfeld auch bei höchster Betriebstemperatur von 600°C wird sicher erreicht und gehalten.One thus constructed electromagnet, constructed solenoid, a so constructed Electric coil reliably withstands temperature environments up to 600 ° C in continuous operation. The very thin Insulation layer especially in the winding wire of anodizing leaves a high winding density in the coil and thus a minimum coil volume to. The required strong magnetic field even at the highest operating temperature of 600 ° C is safely reached and kept.

Das einfachste Ausführungsbeispiel des Elektromagneten ist ein kreiszylinderförmiges Solenoid mit magnetachsenzentralem Durchgang und kreisförmig lichter Weite. Diese Situation ist in der einzigen Figur zur Beschreibung beispielhaft dargestellt. Das Solenoid ist in einem axialen Schnitt, in der Stirnansicht und perspektivisch dargestellt, der verwendete Spulenkörper, hier aus Aluminiumsilikat, ist im Schnittbild bemaßt. Die Spule besteht beispielhaft aus 12 Lagen und 13 Windungen pro Lage. Der verwendete Spulendraht ist aus Eloxal und liegt vorzugsweise im Drahtdurchmesserbereich von etwa 0,5 mm bis 1 mm.The simplest embodiment of the electromagnet is a circular cylindrical solenoid with Magnetachsenzentralem Passage and circular clear width. This situation is in the single figure for description exemplified. The solenoid is in an axial section, in the front view and shown in perspective, the used Bobbins, here from aluminum silicate, is dimensioned in the cross-sectional view. The Coil is exemplified by 12 layers and 13 turns per layer. The coil wire used is anodized and is preferably in the wire diameter range of about 0.5 mm to 1 mm.

Die Erprobung der elektrischen Spule erfolgte beim Einbau in ein elektromagnetisch schaltbares 2/2-Wegeventil. Die kommerziell eingebaute Spule wurde durch die thermisch sehr viel höher belastbare Spule ersetzt. Bei der Erprobung der mit einem Eloxaldraht gewickelten Spule im Spulenkörper aus Aluminiumsilikat nahm der ohmsche Widerstand des Spulendrahtes erwartungsgemäß zu, und zwar linear mit der Temperatur. Um den magnetfelderzeugenden Strom durch den Spulendraht beizubehalten, wurde die treibende Spannung über eine einstellbare Spannungsquelle entsprechend angehoben. Der thermische Ausdehnungskoef fizient von Aluminium bewirkt im Temperaturbereich bis 600°C eine Längenausdehnung von bis zu 1,5 %, das führte aber zu keinen Problemen. Pulsmäßig wurde die Spule problemlos mit einer Schaltfrequenz bis zu 10 Hz mit einem Dachwert des Stromes von 3A jeweils 20 msec lang betrieben.The Testing of the electric coil was carried out during installation in an electromagnetic switchable 2/2-way valve. The commercially installed coil was by the thermally much higher replaced resilient coil. When testing with an anodized wire wound coil in the bobbin from aluminum silicate took the ohmic resistance of the coil wire as expected, and although linear with the temperature. To the magnetic field generating current through the coil wire, the driving voltage became over one Adjustable voltage source raised accordingly. The thermal Expansion coefficient of aluminum causes in the temperature range up to 600 ° C a length extension of up to 1.5% that resulted but no problems. Pulse was the coil easily with a switching frequency up to 10 Hz with a roof value 3A for 20 msec each.

Der Eloxaldraht wurde unter Zugspannung sorgfältig, d.h. knick- und bruchstellenfrei, auf den Spulenkörper gewickelt. Hierzu wurde die Zugspannung, bei der die Oxidschicht beginnt zu reißen, experimentell ermittelt, um die Zugspannung bei der Wicklung der Spule sicher drunter zu halten.Of the Anodized wire was carefully tensioned, i. kink and break free, on the bobbin wound. This was the tensile stress at which the oxide layer starts to tear, experimentally determined to determine the tensile stress in the winding of Keep the coil safely underneath.

Alternativ zum Eloxaldraht wurde glasfaserummantelter Nickeldraht als Spulendraht untersucht, und zwar nicht als Magnetventilspule sondern in einem Experiment als Sende- und Empfangsspule jeweils auf einem Aluminiumsilikatspulenkörper. Auch dieser Spulenaufbau wurde erfolgreich bis zu der höchsten geforderten Umgebungstemperatur getestet. Der wesentliche höhere spezifische ohmsche Widerstand des Ni-Drahtes ist bekannt, im Vergleich zu Kupfer um 65% höher. Diese Situation ist durch entsprechende Spannungseinstellung kompensierbar, so dass der notwendige Magnetisierungsstrom durch die Spule zuverlässig getrieben werden kann.alternative the anodized wire was glass fiber coated nickel wire as a coil wire examined, not as a solenoid valve coil but in one Experiment as a transmitting and receiving coil each on an aluminum silicate coil body. Also this coil design has been successfully required up to the highest Ambient temperature tested. The essential higher specific ohmic resistance Ni wire is known to be 65% higher than copper. These Situation can be compensated by adjusting the voltage accordingly, so that the necessary magnetizing current is reliably driven by the coil can be.

Andere elektrisch leitende Metallmaterialien, wie Kupfer, Silber oder sonstige Leiterlegierungen, sind als Spulendraht nicht ausgeschlossen. Sie werden anhand einer speziell gestellten Aufgabe als Spulendraht je nach dem in Betracht gezogen.Other electrically conductive metal materials, such as copper, silver or other Conductor alloys are not excluded as coil wire. she become a coil wire based on a specific task depending on the considered.

Claims

Electromagnet, consisting of a solenoid whose coil body and the coil wound thereon from an electrically insulated wire are made of temperature-resistant material, characterized in that: the electromagnet is a solenoid and at temperatures up to 600 ° C in two states, the magnetic field generating and the magnetic field, is displaceable, the bobbin is made of: a non-magnetic metal or ceramic or quartz glass and has a free central passage, the coil wire is made of anodized wire or a glass fiber-coated metal wire.

Electromagnet according to claim 1, characterized that the bobbin out: a dimensionally stable in the operating temperature range stainless steel or brass or a metal alloy, or one on Silicon based ceramics in particular aluminum silicate or Is magnesium silicate, or an oxide ceramic, in particular aluminum oxide.

Electromagnet according to claim 2, characterized in that the clear cross-section of the free central passage through the bobbin is round and the cross-sectional edge at each point has an inwardly directed to the outside radius of curvature or the clear cross section of the free central passage is polygonal, at least triangular and the Coil reason in both cases to the free central passage runs under wall formation and is round and has an always outwardly directed radius of curvature, wherein the smallest radius of curvature is at least equal to the smallest permissible bending radius of the coil base to be wound on the coil wire.

Electromagnet according to claim 3, characterized in that that the bobbin to the spatially limited leadership of the magnetic flux in addition with a sleeve can be encapsulated from magnetizable material.