DE1285060B

DE1285060B - Coil with reduced mechanical stress on the coil ends

Info

Publication number: DE1285060B
Application number: DEC34274A
Authority: DE
Inventors: Leon Bruno; Cotsaftis Michel; Leroux Pierre
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1963-11-05
Filing date: 1964-11-02
Publication date: 1968-12-12
Also published as: BE655110A; LU47220A1; US3392356A; NL6412781A; FR1382248A; GB1083484A; CH444307A; ES305620A1

Description

1 21 2

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spule mit ver- der zentralen Spule bis auf Null am Ende der Kom-The invention relates to a coil with the central coil down to zero at the end of the com-

' ringerter mechanischer Beanspruchung an den Spulen- plementärspulen abnimmt, wobei die einzelnen LeiterReduced mechanical stress on the coil plementary coils, with the individual conductors

enden, enthaltend eine zentrale Spule mit einer oder der Komplementärspulen ungleiche Länge besitzen,ends containing a central coil with one or the complementary coils of unequal length,

mehr als einer aus mehreren Leitern bestehenden, Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bestehtmore than one consisting of several conductors, there is a further embodiment of the invention

schraubenförmig auf einer Zylinderfläche (Radius R) ₅ darin, daß man, wenn J die Linienstromdichte imhelically on a cylindrical surface (radius R) ₅ in that if J is the line current density im

gewickelten Leiterlage, deren Neigung gegenüber der Innern einer der Komplementärspulen mit demwound conductor layer whose inclination towards the interior of one of the complementary coils with the

Erzeugenden der Zylinderfläche etwa 45° beträgt, Radius R und J₀ der Wert dieser LinienstromdichteGenerating the cylinder surface is about 45 °, radius R and J ₀ the value of this line current density

wobei die Liniendichte des Stromes konstant ist. im Innern der zentralen Spule ist, die Endlage derwhere the line density of the current is constant. inside the central coil is the end position of the

Eine Spule, deren Leiter von einem elektrischen Leiter der komplementären Spulen so wählt, daß dieA coil whose conductor is selected from an electrical conductor of the complementary coils so that the

Strom durchflossen werden, erzeugt in ihrem Inneren _I0 Linienstromdichte in Abhängigkeit von der LageCurrent flowing through it generates _I0 line current density in its interior depending on the position

ein elektromagnetisches Feld. Dabei werden die längs der Achse dieser Komplementärspulen nachan electromagnetic field. Thereby the along the axis of these complementary coils are after

Leiter elektrodynamischen Kräften ausgesetzt, die einer Kurve abnimmt, die im Innern des BereichesHead subjected to electrodynamic forces that decrease a curve that forms inside the area

sich aus der gegenseitigen Beeinflussung von Magnet- einer Ebene liegt, die durch die folgenden Ungleichun-from the mutual influence of magnet- a plane lies, which is caused by the following inequalities

feld und Strom ergeben. Diese Kräfte wachsen mit gen definiert ist:field and electricity. These forces grow with gene defined is:

dem Feld und führen dabei zu mechanischen Bean- _ϊ5 the field and lead to mechanical _ϊ5

spruchungen der Leiter, die Anlaß zu deren Verfor- 0 < J < J · (1) mung und unter Umständen sogar zur vollständigen
Zerstörung der Spule sein können. Am größten wirdspruchungen the leaders who rise to their deformation 0 <J <J * (1) tion and possibly even full
Destruction of the coil can be. Will be greatest

diese mechanische Beanspruchung der einzelnen Leiter 0 < L < 10Ä ; *" (2)this mechanical stress on the individual conductors 0 <L < 10Ä; * "(2)

an den Spulenenden. Will man daher, wie dies ins- ₂oat the coil ends. If, therefore, as INS ₂ o

besondere in der Plasma-Physik sowie bei der Unter- J₀ / L\ /3 LNespecially in plasma physics as well as in the sub- J ₀ / L \ / 3 LN

suchung stark ionisierter Gase erforderlich ist, ein ~~γ~ y ~~ ~rj ^< ^{J < J}° [^2 IÖR~) ' sehr starkes Magnetfeld mit Hilfe von Spulen erzeugen,
so muß man nach Wegen suchen, die einer Begrenzunginvestigation of strongly ionized gases is required, produce a γ ~~ ~ y ~~ ~ rj ^{^<J <J} ° [^ 2 IÖR ~) 'very strong magnetic field by means of coils,
so one must look for ways that limit

des zulässigen Maximalwertes für das erzeugte Magnet- 25 Die Kurve J = F(L) kann entweder kontinuierlichof the permissible maximum value for the generated magnet 25 The curve J = F (L) can either be continuous

feld durch die mechanische Beanspruchung der Spulen- verlaufen oder Diskontinuitäten aufweisen, derenfield due to the mechanical stress on the coils run or have discontinuities, their

enden entgegenwirken. „ .... ,..,_. J_n ,,...,.counteracting ends. "...., .., _. Y _n ,, ...,.

Nun ist es zwar bekannt, daß eine dünne Spule, Sprunghohe höchstens -f betragt.Now it is known that a thin coil, jump height is at most -f .

deren Leiter wie bei der aus der britischen Patent- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in derwhose conductors are as in that of the British patent. An embodiment of the invention is shown in FIG

schrift 4230 aus dem Jahre 1915 bekannten Spule ₃₀ Zeichnung veranschaulicht, wobei lediglich die zum längs einer Schraubenlinie mit einer Steigung von 45° Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile dargegenüber der Spulenachse verlaufen, dann, wenn gestellt sind. In der Zeichnung zeigt diese Spule unendlich lang ist, von elektrodynamischen Fig. 1 eine schematische Längsansicht einer erKräften vollständig frei ist. Der Idealfall einer unend- findungsgemäßen Spule, lieh langen Magnetspule ist jedoch praktisch nicht ₃₅ F i g. 2 eine grafische Darstellung der Kurve, die zu realisieren, und die praktisch mögliche Wahl einer den Bereich der durch das System der obenerwähnten im Vergleich zum Spulenradius großen Spulenlänge Ungleichungen (1), (2), (3) bestimmten Ebene J-L hilft nicht weiter, da die elektrodynamischen Bean- sowie das komplementäre Profil J = F(L) der erspruchungen an allen Punkten der Spule sofort wieder findungsgemäßen Spule zeigt.writing 4230 from 1915 known coil ₃₀ drawing illustrates, with only the essential parts for understanding the invention along a helical line with a slope of 45 ° extend opposite the coil axis, if provided. In the drawing shows this coil is infinitely long, from electrodynamic Fig. 1 a schematic longitudinal view of one of the forces is completely free. The ideal case of a coil according to the invention, borrowed long magnet coil, however, is practically not ₃₅ FIG. 2 a graphical representation of the curve which is to be realized and the practically possible choice of a plane JL determined by the system of the above-mentioned coil length inequalities (1), (2), (3) which is large compared to the coil radius, does not help further, since the electrodynamic stress as well as the complementary profile J = F (L) of the stresses at all points of the coil immediately shows the coil according to the invention again.

auftreten, wenn diese durch zwei senkrecht zu ihrer ₄₀ Bei der Ausführung gemäß F i g. 1 trägt ein zylind-Achse verlaufende Ebenen begrenzt wird, wobei die rischer Dorn 1 aus Isoliermaterial in seinem zentralen Größe der Beanspruchung um so größer wird, je Teil eine Spule, von der aus Gründen der Einfachheit mehr man sich den Begrenzungsebenen nähert. Der nur elf Leiter 2 dargestellt sind, die aneinandergrenzen, Ausweg, die Spule nicht geradlinig, sondern in Form jedoch elektrisch voneinander isoliert und gleicheines Kreisringes auszubilden und auf diese Weise ₄₅ mäßig am Umfang des Domes 1 angeordnet sind, eine Begrenzung der Spulenenden und damit das Nur der größeren Klarheit halber sind in der Zeich-Auftreten der unerwünschten mechanischen Bean- nung die Leiter in einem merklichen Abstand vonspruchungen der Spulenenden zu vermeiden, wie dies einander dargestellt. .Ihre Neigung gegenüber der der durch M. I. T. Press und John W e 1 e y erfolg- Erzeugenden der Spule beträgt 45°. In der Nähe der ten Veröffentlichung »Force reduced toroidal systems 50 beiden Enden des Domes 1 sind zwei Gruppen kreis-— Wells and Mills High Magnetic Fields« zu ent- förmiger metallischer Flansche 3,4... 12,13 und nehmen ist, ist nicht immer gangbar, da man dann 3', 4'... 12', 13' angeordnet. Diese Flansche sind idenauch zu ringförmigen Magnetfeldern kommt. tisch, weisen jedoch nicht gleichen Abstand von-occur when these are separated by two perpendicular to their _40. In the embodiment according to FIG. 1 carries a cylinder-axis extending planes is delimited, the rischer mandrel 1 made of insulating material in its central size of the stress is the greater, per part of a coil, of which one approaches the delimitation planes for the sake of simplicity. The only eleven conductors 2 are shown, which border one another, way out, the coil is not straight, but in shape, however, electrically isolated from one another and designed like a circular ring and in this way ₄₅ moderately arranged on the circumference of the dome 1, a limitation of the coil ends and thus that Just for the sake of greater clarity, the conductors at a noticeable distance from stresses to the coil ends should be avoided in the drawing occurrence of the undesired mechanical stress, as shown in relation to one another. Its inclination in relation to that of the coil produced by MIT Press and John W e 1 ey is 45 °. In the vicinity of the tenth publication "Force reduced toroidal systems 50 both ends of the dome 1 are two groups of circular - Wells and Mills High Magnetic Fields" to take form-shaped metallic flanges 3, 4 ... 12, 13 and is, is not always feasible, as 3 ', 4' ... 12 ', 13' are then arranged. These flanges are ideal for ring-shaped magnetic fields. table, but do not have the same distance from

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einander auf. Die am rechten Ende des Domes 1 eine gerade Spule zu schaffen, deren Enden nur einer; 55 vorgesehenen Flansche und die entsprechenden wesentlich verringerten mechanischen Beanspruchung Flansche am linken Ende sind mit den gleichen ausgesetzt sind, ohne daß dazu die Spulenlänge unend- Zahlen bezeichnet, wobei die letzteren noch einen Hch werden müßte. · Bezugsstrich aufweisen.The invention is therefore based on the object on each other. The one at the right end of the cathedral 1 to create a straight bobbin with only one end; 55 provided flanges and the corresponding significantly reduced mechanical stress flanges on the left end are with the same are exposed, without the coil length denoting infinite numbers, the latter still one I should be. · Have a reference line.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Spule Die Flansche 3 und 13 einerseits und 3' und 13'This task is based on a coil The flanges 3 and 13 on the one hand and 3 'and 13'

der eingangs erwähnten Art, dadurch gelöst, daß jedes, 60 andererseits sind durch gleiche Abstände voneinander Ende der zentralen Spule durch eine Komplementär- getrennt. Die Teile des Domes 1, die von diesen spule von gleichem Radius verlängert ist, deren Leiter- Flanschen eingenommen werden, tragen Komplemenlagen mit gleicher Neigung gegenüber der Richtung tärwicklungen 26,27. Ein erster Leiter 14 ist einerder Erzeugenden der Zylinderfläche gewickelt sind, seits mit dem Flansch 3' und andererseits mit dem daß ferner einerseits die Länge jeder Komplementär- 65 Flansch 3 verbunden, der mit dem Flansch 4' über spule zwischen dem Ein- und Zehnfachen des Radius eine parallel zur Achse des Domes. 1 verlaufende der zentralen Spule liegt und daß andererseits die Verbindung 15 verbunden ist. Mit dem Flansch 4' Linienstromdichte progressiv von dem Wert im Innern ist ein zweiter Leiter 16 verbunden, der an seinemof the type mentioned at the beginning, solved in that each, 60 on the other hand are equidistant from one another End of the central coil separated by a complementary. The parts of the cathedral 1 that are covered by these coil is extended by the same radius, whose conductor flanges are taken, wear complementary layers with the same inclination compared to the direction tärwicklungen 26,27. A first conductor 14 is one of them Generating the cylinder surface are wound, on the one hand with the flange 3 'and on the other hand with the that on the one hand the length of each complementary flange 3 connected to the flange 4 'over coil one parallel to the axis of the dome between one and ten times the radius. 1 trending the central coil and that on the other hand the connection 15 is connected. With the flange 4 ' Line current density progressive from the value inside a second conductor 16 is connected, which at his

anderen Ende mit dem Flansch 4 verbunden ist. Dieser Leiter 16 ist neben dem Leiter 14 auf den Dorn 1 aufgewickelt.the other end is connected to the flange 4. This head 16 is next to the head 14 on the Mandrel 1 wound up.

Ein parallel zur Spulenachse Z-Z verlaufender Leiter 17 verbindet den Flansch 4 mit dem Flansch 5'. Letzterer steht in elektrischer Verbindung mit dem Flansch 5 über einen dritten Leiter 18, der neben dem zweiten Leiter 16 verläuft. In gleicher Weise sind die übrigen Leiter mit den entsprechenden Flanschen verbunden; der elfte Leiter 19 ist beispielsweise mit dem letzten rechten Flansch 13 verbunden. Dieser Flansch 13 ist ebenso wie der erste Flansch 3' mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Stromquelle verbunden, die die Spule speist. Die Abstände zwischen den Flanschen sind so gewählt, daß bei der erläuterten Verbindung dieser Flansche mit den Leitern die Linienstromdichte in den Komplementärwicklungen progressiv von dem Wert, den sie im Innern der zentralen Spule besitzt, bis auf Null abnimmt.A conductor 17 running parallel to the coil axis ZZ connects the flange 4 to the flange 5 '. The latter is in electrical connection with the flange 5 via a third conductor 18 which runs next to the second conductor 16. In the same way, the other conductors are connected to the corresponding flanges; the eleventh conductor 19 is connected to the last flange 13 on the right, for example. This flange 13, like the first flange 3 ', is connected to a power source, not shown in the drawing, which feeds the coil. The distances between the flanges are chosen so that when these flanges are connected to the conductors, the line current density in the complementary windings decreases progressively from the value it has inside the central coil down to zero.

Der durch Ungleichungen (1) bis (3) definierte Bereich der Ebene J-L ist in F i g. 2 dargestellt. Es handelt sich um die Oberfläche, die im Innern des Sechseckes liegt, das von den Strecken 22, 23 und 24, einem Teil der Achse L, einer Strecke 25 und einem Teil der Achse J begrenzt wird. Die Strecke 22 entspricht der Geraden J = J₀, die Strecke 24 entspricht der Geraden L — 10 R, die Strecke 23 ist ein Teil der Geraden The area of the plane JL defined by inequalities (1) to (3) is shown in FIG. 2 shown. It is the surface that lies inside the hexagon delimited by the segments 22, 23 and 24, part of the L axis, a segment 25 and part of the J axis. The segment 22 corresponds to the straight line J = J ₀ , the segment 24 corresponds to the straight line L - 10 R, the segment 23 is part of the straight line

/ ₌ /„ I — / ₌ / "I -

während die Strecke 25 der Kurvewhile route 25 of the curve

entspricht.is equivalent to.

Die Kurve J = F(L), die das Profil einer Kornplementärspule definiert, muß im Innern des erläuterten Sechseckes liegen. Die Linienstromdichte in dieser Spule in Abhängigkeit von der Länge L wird beispielsweise durch die diskontinuierliche Kurve 20 (vgl. F i g. 2) dargestellt, die zehn Stufen 21 enthält. Jede dieser Stufen entspricht einem Teil der Komplementärspule, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Flanschen liegt und in dessen Innerem die Linienstromdichte konstant ist.The curve J = F (L), which defines the profile of a complementary coil, must lie inside the explained hexagon. The line current density in this coil as a function of the length L is represented, for example, by the discontinuous curve 20 (cf. FIG. 2), which contains ten steps 21. Each of these stages corresponds to a part of the complementary coil which lies between two successive flanges and inside which the line current density is constant.

Die elf Leiter 2, die nebeneinander gewickelt sind, bilden jeweils eine Spulenlage. Die Spule enthält ρ gleiche Lagen dieser Art, die regelmäßig über den Umfang des Domes 1 angeordnet sind, wobei die einander entsprechenden Leiter der einzelnen Lagen über die zugehörigen metallischen Flansche einander parallel geschaltet sind.The eleven conductors 2, which are wound next to one another, each form a coil layer. The coil contains ρ identical layers of this type, which are regularly arranged over the circumference of the dome 1, the corresponding conductors of the individual layers being connected in parallel to one another via the associated metallic flanges.

Eine erste Variante der erläuterten Spulenanordnung besteht darin, jeden metallischen Flansch in N gleiche Winkelsektoren zu unterteilen, die elektrisch voneinander isoliert sind, wobei jeder Sektor die Rolle eines Flansches ausübt. Es ist auf diese Weise möglich, die Anzahl der Leiterlagen der Spule zu vergrößern, so daß diese mehrere Lagen übereinander angeordneter Leiter aufweisen kann. Diese Variante begünstigt die Anpassung der Impedanzen von Spule und Stromquelle, indem die einzelnen Leiterlagen parallel in der Reihe oder reihenparallel geschaltet werden können.A first variant of the coil arrangement explained consists in dividing each metallic flange into N equal angular sectors, which are electrically isolated from one another, with each sector performing the role of a flange. It is possible in this way to increase the number of conductor layers in the coil so that it can have several layers of conductors arranged one above the other. This variant favors the matching of the impedances of the coil and the current source, in that the individual conductor layers can be connected in parallel in series or in series.

Eine zweite Variante besteht darin, von Flanschen oder Sektoren abzusehen und die Enden der Leiter genau an der Stelle, an der sie zuvor mit den Flanschen oder Sektoren verschweißt waren, senkrecht zur Achse des Domes 1 abzubiegen, so daß diese Enden auf Radien des Domes verlängert sind.A second variant is to refrain from flanges or sectors and the ends of the conductors exactly at the point where they were previously welded to the flanges or sectors, perpendicular to the Bend the axis of the dome 1 so that these ends are extended to the radii of the dome.

Claims

Patent claims:

1. Coil with reduced mechanical stress on the coil ends, containing a central coil with one or more than one conductor layer consisting of several conductors, helically wound on a cylindrical surface (radius R) , the inclination of which is about 45 ° with respect to the generatrix of the cylindrical surface, with the line density of the current is constant, characterized in that each end of the central coil is extended by a complementary coil (26, 27) of the same radius, the conductor layers of which are wound with the same inclination to the direction of the generatrix of the cylinder surface, and on the one hand the length Each complementary coil is between one and ten times the radius of the central coil and that, on the other hand, the line current density decreases progressively from the value inside the central coil to zero at the end of the complementary coils, the individual conductors of the complementary coils being of unequal length.

2. Coil according to claim 1, characterized in that if J is the line current density inside one of the complementary coils (26 or 27) with the radius (R) and J _{0 is} the value of this line current density inside the central coil, the end position of the conductor of the complementary coils is chosen so that the line current density (J) decreases as a function of the position (L) along the axis of these complementary coils according to a curve which lies in the interior of the region of the plane (JL) which is defined by the following inequalities :

0 <J <J ₀ ;

0 <L <10;

L_ \

ion/'

3. Coil according to claim 2, characterized in that the curve J = F (L) runs continuously.

4. Coil according to claim 2, characterized in that the curve J = F (L) has discontinuities, the jump height of which is the highest equal to ^.

5. Coil according to claim 1 or one of the following claims, characterized in that the Ends of the conductors either at both coil ends in the same way along the two complementary coils (26, 27) distributed metallic flanges (3, 4 ... 13; 3 ', 4' ... 13 ') connected or are bent at these points so that they protrude radially from the mandrel (1) of the coil, wherein the flanges located at one end of the spool

or the corresponding bent conductor ends with those at the other end of the coil outside the coil are connected in such a way (conductors 15 to 17) that all conductors are in series between two terminals a supply voltage source.

6. Coil according to claim S, characterized in that each flange (3, 4 ... 13; 3 ', 4' ... 13 ') is divided into an equal number of identical, electrically isolated sectors, each of which with the end of in the plane of the

respective flange ending conductor of a conductor layer on the mandrel (1) is connected.

7. coil according to claim 5, characterized in that each layer of the central coil consists of an equal number of parallel conductors (2) with the same number of turns and that the conductors corresponding to one another in the various layers have their respective associated Flanges (3, 4 ... 13; 3 ', 4', ... 13 ') are connected in parallel.

1 sheet of drawings