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Elektrische Spule mit einer Wicklung aus hohlen, von einem Kühlmittel
durchströmten Leitern Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule, insbesondere
zur Erzeugung hoher stationärer Magnetfelder, mit einer aus hohlen, von einem Kühlmittel
durchströmten Leitern bestehenden Wicklung, die mindestens zwei Lagen aus Windungen
gleichen Wicklungssinnes, jedoch entgegengesetzter Steigung enthält.
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Zur Erzeugung hoher stationärer Magnetfelder ist es bekannt, flüssigkeitsgekühlte
und im besonderen wassergekühlte Spulen zu verwenden, gleichgültig, ob es sich dabei
um Magnetfelder in Verbindung mit ferromagnetischen Kernen handelt oder nicht. In
einem größeren Wicklungsvolumen läßt sich dabei eine gleichmäßigere Kühlung erreichen,
wenn man hohle Leiter verwendet, die vom Kühlmittel direkt durchströmt werden.
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Die Belastbarkeit solcher direktgekühlter Leiter wird durch die Transportfähigkeit
des Kühlmediums bestimmt. Wasser als Kühlmedium läßt längs der Kühlstrecke normalerweise
einen Temperaturanstieg bis zu etwa 90° C zu. Erfolgt dieser Temperaturanstieg über
einer kurzen Strecke, so kann pro Längeneinheit des gekühlten Leiters entsprechend
mehr Verlustwärme abgeführt werden als bei längeren Kühlstrecken.
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Es ist nun grundsätzlich möglich, eine Feldspule vorgegebenen Wicklungsvolumens
mit niedriger Windungszahl und damit mit geringer Windungslänge auszuführen und
die zur Speisung verwendete Stromquelle für eine höhere Stromentnahme vorzusehen.
Eine geringe Windungslänge bedeutet bei direktgekühlten, hohlen Leitern eine kurze
Kühlkreislänge, so daß, wie oben ausgeführt wurde, eine entsprechend hohe Verlustwärme
abgeleitet werden kann.
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Es ist jedoch im Hinblick sowohl auf die Energiequelle und die gesamte
Stromversorgungsanlage als auch auf eine optimale Ausführung der Querschnitte der
hohlen Leiter unwirtschaftlich, die Windungszahl unter einen bestimmten Betrag zu
verringern. Große Leiterquerschnitte erfordern große Stromstärken, die wiederum
große Zuleitungs- und Verschaltungsquerschnitte bedingen, abgesehen davon, daß Hochstromenergiequellen
unverhältnismäßig teuer sind. Eine aus hohlen Leitern gewickelte Feldspule soll
also einerseits - unter elektrischen Gesichtspunkten betrachtet - eine verhältnismäßig
große Windungszahl und andererseits - unter kühltechnischen Gesichtspunkten gesehen
- kurze Kühstrecken enthalten. Diese beiden scheinbar gegensätzlichen Forderungen
an eine elektrische Spule, insbesondere zur Erzeugung hoher stationärer Magnetfelder,
mit einer aus hohlen, von einem Kühlmittel durchströmten Leitern bestehenden Wicklung,
die mindestens zwei Lagen .aus Windungen gleichen Wicklungssinnes, jedoch entgegengesetzter
Steigung enthält, werden durch die Erfindung erfüllt.
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Die diese Aufgabe lösende Erfindung besteht darin, daß jede Lage aus
mindestens zwei nach Art der bifilaren Wicklungen nebeneinander verlaufenden, voneinander
isolierten Leitern besteht, daß die Leiter einer Lage parallel in einen Kühlkreislauf
geschaltet sind und daß an den Lagerenden abwechselnd ein Leiter einer Lage mit
einem Leiter der anderen Lage elektrisch in Reihe geschaltet ist.
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Spulen nach der Erfindung können beliebige Form haben und insbesondere
Spulen mit zylindrischen Wicklungen, kegelstumpfförmigen Wicklungen und ebenen Wicklungen
sein.
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Die Erfindung wird .an Hand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen näher erläutert. Dabei bedeutet F i g. 1 eine schematische Darstellung
einer aus zwei bifilar gewickelten Lagen bestehenden Zylinderspule gemäß der Erfindung,
F i g. 2 eine Schnittdarstellung einer praktischen Ausführungsform einer Zylinderspule
mit vier Lagen, die jeweils aus sieben nebeneinandergeführten hohlen Leitern mit
etwa rechteckigem Querschnitt bestehen, F i g. 3 eine schematische Darstellung einer
Magnetfeldspule gemäß der Erfindung, die aus zwei ebenen Scheibenwicklungen besteht,
die jeweils bifilar gewickelt sind, F i g. 4 eine Seitenansicht eines Teiles einer
praktischen Ausführungsform einer aus zwei Scheibenwicklungen bestehenden Magnetfeldspule
gemäß der Erfindung und F i g. 5 eine Schnittansicht in der Ebene 5-5 der Fig.4.
F
i g. 1 zeigt schematisch eine Magnetfeldspule mit zwei Wicklungslagen 1, 1I, die
in Wirklichkeit koaxial aufeinander liegen, in der Zeichnung jedoch der Deutlichkeit
halber untereinander dargestellt sind. Die Wicklungslage I besteht .aus zwei nach
Art einer bifilaren Wicklung parallelgeführten Leitern. Die Leiter bilden einen
wendelförmigen Windungszug, der eine größere Steigung besitzt als bei normalgewickelten
Spulen, in denen die Windungen eines Leiters ohne Abstand nebeneinander gewickelt
sind. In entsprechender Weise besteht die Lage II aus zwei Leitern 3, 4, die im
gleichen Wicklungssinn, jedoch mit entgegengesetzter Steigung gewickelt sind. Die
Verhältnisse sind also ähnlich, wie bei einer bekannten zweilagigen Spule, deren
eine Lage hin- und deren andere Lage zurückgewickelt ist. Die Leiter 1
bis
4 sind hohl, so daß ein Kühlmittel durchgeleitet werden kann.
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Das Kühlmittel wird parallel in die in F i g. 1 linken Enden aller
vier Leiter 1 bis 4 eingeleitet und tritt aus den rechten Enden wieder aus. Betrachtet
man einen Windungszug 1, so sieht man, daß das Kühlmittel in einer Lage nur etwa
die Hälfte der Strecke durchläuft, die es bei einer gewöhnlichen Spule mit direkt
nebeneinanderliegenden Windungen durchlaufen müßte.
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Elektrisch sind die Windungszüge 1 bis 4 so in Reihe geschaltet, daß
sie den gleichen Windungssinn besitzen. Der Strom kann beispielsweise in das linke
Ende des Windungszuges 1 eintreten, dessen rechtes Ende mit dem rechten Ende des
Leitungszuges 3 verbunden ist. Das linke Ende des Leitungszuges 3 ist nun elektrisch
mit dem linken Ende des Leitungszuges 2 verbunden, dessen rechtes Ende an das rechte
Ende des Leitungszuges 4 angeschlossen ist. Der Strom tritt dann aus dem linken
Ende des Windungszuges 4 aus.
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In einer Lage können natürlich mehr als zwei Leiter parallel geführt
werden, so daß sich eine weitere Verkürzung der vom Kühlmittel zu durchfließenden
Strecke ergibt. Es kann auch mehr als ein Lagenpaar vorhanden sein.
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F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer vierlagigen Spule,
deren Lagen jeweils sieben Windungszüge aus parallelgeführten, hohlen Leitern enthalten.
Die Enden der Windungszüge sind an den beiden Stirnseiten der Spule axial herausgeführt
und bilden Einlaß- bzw. Auslaßstutzen für das Kühlmittel, das z. B. an allen linken
Enden der Leiter ein- und an allen rechten Enden austritt. Anfang und Ende eines
der insgesamt 36 parallelen Kühlkanäle sind mit X bzw. Y bezeichnet.
Elektrisch sind sämtliche Windungszüge in Reihe geschaltet. Der Strom tritt beispielsweise
bei A ein und durchläuft die Windung B. Das Ende der Windung B auf
der linken Stirnseite der Spule ist bei C mit dem darüberliegenden Ende eines Leiters
der zweiten Lage verbunden. Der Strompfad geht nun in umgekehrter Steigung, aber
in gleichem Windungssinn in einem Windungszug D der zweiten Lage zurück zur
rechten Stirnseite, dort über eine Verbindung E wieder in die erste Lage usf., bis
er schließlich bei F austritt. Die Windungszahl der Leiter wird am zweckmäßigsten
so ausgelegt, daß der erwähnte Leiter der zweiten Lage über dem Anfang des zweiten
Leiters der ersten Lage endet. Der Anfang des zweiten Parallelleiters kann in Umfangsrichtung
der Spule vor oder nach dem Anfang des ersten Leiters liegen. Der zurückgeführte
Leiter der zweiten Lage ist mit dem darunterliegenden Anfang des zweiten Leiters
der ersten Lage verbunden. Der beschriebene Strompfad setzt sich in entsprechender
Weise fort, wobei die Anschlüsse am Umfang jeweils um eine Teilung versetzt sind.
Auf diese Weise werden sämtliche Windungszüge dieser beiden Lagen durchlaufen. Das
elektrische Ende dieses Lagenpaares kann nun mit dem Anfang des darüberliegenden
zweiten Lagenpaares verbunden werden, dessen Windungszüge in entsprechender Weise
in Reihe geschaltet sind.
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F i g. 3 zeigt schematisch den Aufbau einet Magnetfeldspule, die aus
zwei nebeneinanderliegenden, ebenen Scheibenwicklungslagen besteht. Die Lagen bestehen
jeweils aus zwei parallelgeführten Leitern, die spiralartig verlaufen. Das Kühlwasser
tritt an den mit »Wasser« bezeichneten Stellen in Pfeilrichtung ein bzw. aus, so
daß die vier Windungszüge 1 bis 4 der beiden ebenen Lagen parallel durchströmt werden.
Elektrisch sind die vier Windungszüge 1 bis 4 in der in der F i g. 3 ersichtlichen
Weise in Reihe geschaltet.
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F i g. 4 zeigt eine Seitenansicht eines Teiles einer praktischen Ausführungsform
einer aus zwei ebenen Scheibenwicklungslagen bestehenden Magnetfeldspule. Der Übersichtlichkeit
halber sind jedoch nur vier Windungszüge der insgesamt 13 Windungszüge einer Lage
dargestellt.
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Das Kühlwasser tritt in die mit X1 bzw. X, bezeichneten Enden
ein und tritt an den mit Y1 bzw. Y, bezeichneten Enden aus. Der Strompfad verläuft
vom Ende A eines ersten Leiters in der vorderen Lage spiralig nach innen, geht dann
über die Kröpfung in die hintere Lage über, wo er im gleichen Windungssinn spiralig
nach außen bis zur Kontaktstelle B verläuft. Hier geht er in einen zweiten Leiter
der vorderen Lage über, der bei der Kontaktstelle C mit einem zweiten Leiter der
hinteren Lage verbunden ist, welcher bei E endet. Die Wicklung kann natürlich auch
so ausgebildet sein, daß erst der dreizehnte Leiter bei E endet.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gehen die Leiter der einen
Lage am Ort engsten Durchmessers über eine in Axialrichtung versetzte Kröpfung in
die Ebene der anderen Lage über. Dies hat den Vorteil, daß sämtliche Kühlmittelanschlüsse
und elektrische Verbindungsstellen außen liegen, allerdings durchströmt das Kühlmittel
hintereinander zuerst einen Windungszug in der einen und dann einen Windungszug
in der anderen Ebene. Da die Windungszüge jedoch infolge der großen Anzahl von parallelgeführten
Leitern sehr kurz sind, kann dies häufig zugelassen werden. Prinzipiell könnte natürlich
auch das Kühlwasser am kleinsten Umfang in alle Windungszüge eingeleitet und außen
abgeführt werden.
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Die in der einen Ebene spiralig nach innen und dann in der .anderen
Ebene spiralig nach außen verlaufenden Leiter der in F i g. 4 und 5 dargestellten
Spule sind so gewickelt, daß das Ende des einen Leiters um einen Winkel gegenüber
dem Anfang des nächsten Leiters versetzt ist, der 360 Bogengrad, geteilt durch die
Anzahl der Leiter, beträgt. Der eine Leiter endet dann neben dem Anfang des anderen,
so daß die Leiterenden leicht miteinander verbunden werden können und der Wicklungszug
sich nacheinander durch alle nebeneinanderliegenden Leiter fortsetzt. Das Ende einer-
solchen aus zwei Lagen bestehenden
Spuleneinheit kann dann mit
dem Anfang einer nächsten Einheit verbunden werden usw.
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Man kann in beiden beschriebenen Beispielen den Wicklungsschritt auch
so wählen, daß beim Verbinden von nebeneinanderliegenden Wicklungsenden und -anfängen
zwei oder mehrere Windungszüge parallel oder in Reihe geschaltet werden können.
Hierdurch ist eine gute Anpassung an eine vorhandene Stromquelle möglich. Auch lassen
sich durch Zusammenschalten von elektrisch unabhängigen Wicklungen streufeldarme
Spulen erreichen.
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Spulen nach der Erfindung können auch mit ferromagnetischen Kernen
versehen sein. Sie eignen sich ferner als Drosselspulen, für Transformatoren und
andere elektrische Einrichtungen mit Spulen, ,aus denen Wärme abgeführt werden muß.
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Sofern eine Spule offene Kühlkreise enthält, erfordert die Montage
sehr aufwendige Anschlußarbeiten. Dies kann durch Verwendung von Sammelkanälen,
die mit dem Spulenkörper fest verbunden sind, erheblich vereinfacht werden. Man
kann also sämtliche Kühlmitteleingänge und sämtliche Kühlmittelausgänge mit je einem
Ringkanal verbinden, so daß dann eine Spule nur jeweils einen Zu- und Ablauf erhält.
Wenn es die Anordnung der Ein- und Auslässe der verschiedenen Kühlkreisenden nicht
zuläßt, sämtliche Ein- bzw. Ausgänge in jeweils einem einzigen Ringkanal zusammenzufassen,
können die Kühlmittelanschlüsse auch gruppenweise zusammengefaßt werden. Auch hierdurch
wird die Anzahl der Anschlüsse an eine Spule beträchtlich verringert.
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Die Sammelkanäle dürfen die einzelnen Teilspulen natürlich nicht kurzschließen,
man wird daher entweder die Sammelkanäle aus einem elektrisch isolierenden Material
machen, beispielsweise in Kunstharz einbetten oder einarbeiten oder isolierende
Zwischenstücke vorsehen, wenn die Sammelkanäle aus Metall sind, so daß die einzelnen
Leiterzweige von den Sammelkanälen elektrisch getrennt sind. Spule, Sammelkanäle
und gegebenenfalls Verbindungsstücke können gemeinsam in eine elektrisch nichtleitende
Ve bgußmasse eingegossen werden.
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Bei spiralenförmig gewickelten Spulen ist gegebenenfalls darauf zu
achten, daß die Sammelkanäle innerhalb der axialen Höhe der Spule Platz finden,
so daß eine dichte Schichtung mehrerer Spulen aufeinander möglich bleibt. Der Querschnitt
der Sammelkanäle muß so groß sein, daß eine genügend gleichmäßige Kühlmittelverteilung
auf die einzelnen Kühlkreise gewährleistet ist. Die Sammelkanäle können auch so
ausgebildet sein, daß sie einen Kühlkreis bilden, bei dem der Querschnitt der Zuführungskanäle
entsprechend den abzweigenden Kühlmittelkreisläufen ab- und der Querschnitt des
Ableitungskanals entsprechend den einmündenden Kühlmittelkreisläufen zunimmt. Auf
diese Weise läßt sich leicht erreichen, daß alle der parallelgeschalteten Kühlmittelkreisläufe
einen gleichmäßigen Durchsatz aufweisen.