DE1292243B - Gleichstromspule mit freiem Innenraum zur Erzeugungn hoher magnetischer Feldstaerken - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstromspule mit freiem Innenraum zur Erzeugung hoher magnetischer Feldstärken mit einem kernlosen, nicht von Wicklungshalterungselementen ausgefüllten, unbehindert zugänglichen und freien Innenraum zur Aufnahme von Untersuchungseinrichtungen für beschleunigte Elementarteilchen.
• Für Aufgaben der Kernforschung werden hohe magnetische Energien benötigt, die u. a. mit Gleichstromspulen erzeugt werden. Die Abmessungen und Gewichte von Spulen mit hoher Stromdichte für diesen Zweck sind im allgemeinen sehr hoch, so daß beträchtlicher Aufwand für Einrichtungen zur Halterung und Verspannung der einzelnen Windungen und zur Aufnahme der Stromkräfte getrieben werden muß. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstromspule mit sehr hoher Stromdichte zu schaffen, deren zentraler Innenraum leer und frei zugänglich ist. Während bei den herkömmlichen Transformatoren oder Drosselspulen die Wicklungen um einen Eisenkern gelegt und an ihm abgestützt oder mit Hilfe des Kernes festgelegt sind, handelt es sich nunmehr um Spulen höchster Leistung, die ohne Eisenkern stabil sein und eine Öffnung sowie einen Innenraum zum Einführen und Anordnen besonderer Untersuchungseinrichtungen aufweisen müssen.
• Bei Stromdichten von 10 A/mm2 und darüber sind bisher nur von einem Kühlmittel durchflossene Hohlleiter bekannt. Derartige Hohlleiter können aber wirtschaftlich zum Abführen der großen Wärmemengen, die bei der vorliegenden Gleichstromspule im Betrieb entstehen, nicht eingesetzt werden, da zu viele parallelgeschaltete Kühlkreise notwendig werden und sich deswegen zu viele Kühlmittelanschlußstellen ergeben. Es wurde daher versucht, den Schwierigkeiten mit dem Kühlmittel Wasser zu begegnen, dessen bessere Kühleigenschaften gegenüber Öl bekannt sind; jedoch hat es sich bei derartigen Wicklungen als ungeeignet erwiesen, da es sich unter dem Einfluß des Gleichstromes elektrolytisch in seine Bestandteile zersetzt.
• Nun ist eine Reihe von Konstruktionsformen für Gleichstromspulen bekannt geworden.
• Nach der deutschen Patentanmeldung gemäß Deutsche Auslegeschrift 1027 312 wird die Wicklung der flüssigkeitsgekühlten Spule durch eine oder mehrere Grundplatten mit konzentrischen Zylinderschalen und Führungsflächen gehaltert, und ihre Windungen bestehen aus konventionellen Runddrähten. Insbesondere die Forderung nach einem freien Innenraum ist hier nicht erfüllt.
• Eine Gleichstromspule gemäß der britischen Patentschrift 564110 ist in einem abgedichteten Ringraum angeordnet, der Öl als Isolations- und Kühlmittel enthält. Dabei sind jedoch ebenfalls konventionelle Leiterformen verwendet. Ferner sind keine Maßnahmen getroffen, um das Kühlmittel, etwa durch einen Zwangsumlauf, besonders auszunutzen. Das Kühlproblem ist aber im vorliegenden Fall besonders gravierend.
• Die weiter oben erwähnte Aufgabe wird nun nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Gleichstromspule durch die Kombination der folgenden drei an sich bekannten Merkmale gekennzeichnet ist: a) einen einen abgedichteten Ringraum bildenden Behälter, der die stromdurchflossene Wicklung umgibt, haltert und festigt, b) einen bandförmigen Leiter, dessen Breite konstant und gleich der axialen Länge der Wicklung ist, c) einen erzwungenen Durchlauf des als Kühl- und Isolationsmittel verwendeten Öles durch Kühlkanäle der Wicklung.
• Zwar sind bandförmige Leiter bei Stufentransformatoren, insbesondere bei solchen mit sehr vielen Anzapfungen für Triebfahrzeuge, bekannt geworden. Mit ihnen sollen axiale Schubkräfte in den Wicklungen vermieden und insbesondere eine günstige Anzapfmöglichkeit für die einzelnen Windungen geschaffen werden, da jede einzelne Blechwindung an der Stirnseite zugänglich ist. Bei der Spule gemäß der Erfindung wird die große Oberfläche der Bandleiter zur besonders wirkungsvollen Kühlung herangezogen, was durch die Kombination mit dem erzwungenen Ölumlauf auf überraschende Weise erreicht wird.
• Auch der erzwungene Ölumlauf ist für sich allein bei Transformatorenwicklungen bekannt, die zusammen mit einer Kernanordnung in einem Ölkessel untergebracht sind. Dabei ist die Wicklung von einem einseitig gegen den Kesselraum geöffneten Mantel umgeben, in den das Öl durch eine Pumpe gedrückt oder aus dem es angesaugt wird. Ein Dichtungsproblem tritt hierbei nicht auf, denn der statische Öldruck wird vom äußeren Kessel aufgenommen. Im Gegensatz dazu dient der die erfindungsgemäße Spule umgebende Behälter, der vorzugsweise aus antimagnetischem Stahl gefertigt ist, gleichzeitig als druckdichter Ölkessel und als Halterung für die kernlose Wicklung.
• In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist zwischen den blanken Leiterbandwindungen eine Isolierstoffolie eingewickelt, die den Leiter in axialer Richtung überragt. Ferner sind zwischen einigen Windungen durch gleichmäßig auf dem Umfang verteilte, achsparallele Isolierstoffstreifen radial erweiterte Kühlkanäle gebildet, wobei die Isolierstoffstreifen als Wicklungshalterungen dienen.
• Die Isolierstoffstreifen bestehen aus Polyäthylen oder Polyvinylchlorid.
• In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der Wicklungsbehälter aus antimagnetischem Stahl gefertigt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand einer Figur erläutert.
• Der Innenzylinder 2 und der Außenzylinder 9 bilden zusammen mit den Ringscheiben 1 und 3 einen abgeschlossenen Ringraum, in dem sich die Bandwicklung befindet. Ihr Windungsquerschnitt ist mit 7 bezeichnet, und zwischen den Windungen ist die Isolierstoffolie 8 eingewickelt. Sie ragt am Ende über die Bandwicklung hinaus. Zwischen Gruppen von je drei aufeinanderliegenden Windungen 7 sind Isolierstoffstreifen 6 eingelegt und gleichmäßig über den Umfang verteilt. Diese Isolierstoffstreifen 6 ragen in axialer Richtung noch weiter über die Wicklung hinaus und sind mit den Ringscheiben 1 und 3 verzapft. Sie tragen damit zur Halterung der Blechwicklung bei und bilden radial erweiterte Ölkanäle. Unten und oben münden in den Ringraum die Kühlrohrstutzen 4 und 5 ein, die mit einer nicht mitgezeichneten Umlaufpumpe in Verbindung stehen und das Kühlöl zu-und abführen. Durch geeignete Bemessung der Querschnitte der Ölwege ist für eine gleichmäßige Verteilung der Ölströme gesorgt. Mit Hilfe der Erfindung ist die Gestaltung einer Gleichstromspule möglich, die sich in bezug auf hohe Stromdichte, äußerst feste Wicklungshalterung, gute Kühlung und Zugänglichkeit des Innenraumes als allen bisher bekannten Lösungen überlegen erweist.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Gleichstromspule mit freiem Innenraum zur Erzeugung hoher magnetischer Feldstärken mit einem kernlosen, nicht von Wicklungshalterungselementen ausgefüllten, unbehindert zugänglichen und freien Innenraum zur Aufnahme von Untersuchungseinrichtungen für beschleunigte Elementarteilchen, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden drei an sich bekannten Merkmale: a) einen einen abgedichteten Ringraum bildenden Behälter (1, 2, 3, 9), der die stromdurchflossene Wicklung umgibt, haltert und festigt, b) einen bandförmigen Leiter (7), dessen Breite konstant und gleich der axialen Länge der Wicklung ist, c) einen erzwungenen Durchlauf des als Kühl-und Isolationsmittel verwendeten Öles durch Kühlkanäle der Wicklung.
2. 2. Gleichstromspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den blanken Leiterbandwindungen (7) eine Isolierstoffolie (8) eingewickelt ist, welche den Leiter in axialer Richtung überragt.
3. 3. Gleichstromspule nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einigen Windungen durch gleichmäßig auf dem Umfang verteilte achsparallele Isolierstoffstreifen (6) radial erweiterte Kühlkanäle gebildet sind und die Isolierstoffstreifen als Wicklungshalterungen dienen.
4. 4. Gleichstromspule nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffstreifen und/oder -folien aus Polyäthylen oder Polyvinylchlorid bestehen.
5. 5. Gleichstromspule nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsbehälter (1, 2, 3, 9) aus antimagnetischem Stahl besteht.