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T 1 e k t r o m a g n e t Die Erfindung befasst sich mit Elektromagneten
und im besonderen mit verbesserten elektrischen Magneten, die imstande sind, veränderliche
Magnetfelder in eineu. allgemein in der Richtung des Stromflusses und durch den
Magneten verlaufenden Bezirk zu erzeugen.
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Feldmagnete, z.B, solche, die zum ßrzeugen des Magnetfeldes in magnetohydrodynamischen
Einrichtungen wie beispielsweise magnetohydrodynamische Generatoren (hiernach als
MiD-Generatoren bezeichnet) benutzt werden, arbeiten oftmals mit niedrigen Spannungen
jedoch mit starken Strömen in der Größenordnung von mehreren tausend .Ampere. Bei
solchen starken Strömen müssen die die dicklung dieser Magnete bildenden Leiter
große Querschnitte aufweisen und können daher nur mit Schwierigkeit in die erforderliche
Form gebracht werden.
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Ein lUiD-Generator ist, kurz gesagt, eine Einrichtung
zum
Erzeugen von Ulektrizität, wobei ein leitendes Gas oder ein Dampf mit hoher Temperatur
und Geschwindigkeit mit Hilfe eines Kanals durch ein Magnetfeld geleitet wird, in
dem die kinetische hnergie des Gases direkt in einen elektrischen Strom umgewandelt
wird.
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Das Magnetfeld wird durch Ströme und magnetische Leiter in der äähe
des Generatorkanals erzeugt. Diese Leiter können aus jedem elektrisch gut leitendem
eaterial bestehen. In der Praxis ist jedoch die beste elektrische Leitfähigkeit
erwünscht, damit die zum Erzeugen eines gegebenen iiagnetfeldes erforderliche Leistung
klein gehalten werden kann. Das sich für solche Magnete bei Raumtemperatur am besten
eignende waterial ist Kupfer, obwohl auch Aluminium und Silber in Betracht gezogen
werden können. Das für einen gegebenen Leistungsverbrauch oder eines Stromverbrauchs
im Falle eines Supraleiters erzeugte wagnetfeld Wird von der räumlichen Anordnung
der Leiter bestimmt. Bei einem früher vorgeschlagenen Magnet mit einer bei Raumtemperatur
zu verwendenden Kupferspule fließt der ätrom in zwei auf Abstand stehenden Leitern
in entgegengesetzten Richtungen. Der durch diese Leiter fließende Strom erzeugt
ein zur Richtung des Stromflusses senkrecht verlaufendes 141agnetfeld. Im Idealfalle
erstrecken sich die Leiter nach beiden Richtung unendlich weit.
Bei dem genannten
früher vorgeschlagenen Magneten bestehen die Leiter aus flachen Platten, deren Breitenabmessungen
größtenteils senkrecht zur Achse der Spule oder viicklung verlaufen. Bei dieser
Art des Aufbaues sind "sattelförmige" Enden erforderlich, da die Leiter in diesem
Falle sich nicht
unendlich weit nach beiden Richtungen erstrecken,
und es müssen an den entgegengesetzten Enden des Magneten Öffnungen vorgesehen werden,
in die z.B. der Generatorkanal eingesetzt werden kann.. Praktische Erwägungen führten
zu der sogenannten "sattelförmigen" Spulenwicklung. Die "sattelförmigen" Enden führten
zu erheblichen Nachteilen im Hinblick auf den reinen Leistungsverbrauch und der
Gleichförmigkeit des Magnetfeldes in der Nähe der Enden des Magneten. Dies ist eine
Folge der verhältnismäßig großen Länge der Leiter, die sich außerhalb desjenigen
Bezirkes befinden müssen, in dem das Feld erzeugt werden soll, und da die Ströme
in diesem Teil der heiter vom Bezirk des Magnetfeldes entfernt fließen. Es ist ferner
erwünscht, ein Magnetfeld zu erzeugen, das längs der Achse des Kanals veränderlich
ist. Diese Veränderlichkeit des Jwagnetfeldes längs des Arbeitsabschnittes des Kanals
eines khü-Generators z.B. ist in erster Linie erwünscht, um an allen Stellen längs
des Arbeitsabschnittes des Generators die gleiche Spannung zu erhalten.
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Verläuft der Generatorkanal in dessen Längsrichtung räumlich unverändert,
so kann eine gleich hohe Spannung an allen Stellen längs des Arbeitsabschnittes
des Kanals ungefähr erzielt werden, wenn
gesetzt wird, wobei B0 und Po gleich dem Wert des kagnetfe ldes bezwö dem Wert des
Gasdruckes am Einlass des jsanals ist, während B und B die örtlichen Werte für BO
und Po sind. Die örtlichen Werte von B und 0 vermindern sich allgemein in der Stromabrichtung.
Ein veränderliches kagnetfe 1d ist zweitens erwünscht, um das Auftreten unerwünschter
Hall-Effekte zu verhindern.
Die Größe des Hall-Effektes ist ungefähr
proportional dem Verhältnis kagnetfeldstärke:Gasdruck. Da der Gasdruck sich beim
Strömen durch den Kanal vermindert, so ist es erwünscht, die Stärke des Magnetfeldes
in demselben .Ausmaß herabzusetzen. Die Erfindung sieht einen Elektromagneten vor
mit einer Wicklung mit mehreren in Reihe geschalteten Windungen, wobei jede Windung
aus einem Streifen leitenden ketalls besteht, dessen Breitenabmessung parallel zur
Achse der Windung verläuft, und wobei jede Windung entgegengesetzte erste und zweite
Teile sowie einen &ittelteil aufweist, von denen der erste Endteil einen kleinen
Abstand und mindestens einige der genannten zweiten Endteile von anderen zweiten
Endteilen einen Abstand aufweisen, der größer ist als der der genannten ersten Endteile.
Die dicklung weist daher mehrere .Achsen auf und besteht aus streifenförmigen Leitern,
die eine Spulenwicklung bilden, wobei die Breitenabmessung an allen Stellen der
vorgenannten Achsen der Wicklung parallel verlaufen. Anden Iieitarn werden vorzugsweise
entgegengesetzte Durchlässe vorgesehen, die ein Eindurchführen des Generatorkanals
oder dergleichen durch die Wicklung zulassen. Bei einer allgemein rechteckigen Spulenwicklung
besitzen die Bindungen jedoch nicht alle im wesentlichen dieselbe Länge auf-und
werden über den Spalt oder den ivagnetfeldbezirk in vorherbestimmten Abständen in
dessen Längsrichtung geführt. Oder anders ausgedrdckt, die Endteile der Windungen,
z.b. die Endteile am Einlass des Generatorkanals verlaufen konzentrirt oder mit
geringem Abstand, während die entgegengesetzten Endteile mindestens einiger Windungen
einen Abstand von einander aufweisen.
Wie zu ersehen ist, ist die
Masse der Leiter in den Enden der Spulenwicklung viel kleiner als bei der "sattelfÖrmigen"
Gestalt. Der Leistungsverbrauch in den Endteilen der Spulenwicklung ist daher stark
herabgesetzt, und der in den Endteilen der Spulenwicklung fließende Strom liegt
viel näher an dem Bezirk, in dem das bgagnetfeld erwünscht ist, als bei dem
"sattelförmigen" Aufbau.
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Infolge des Überganges leistet das von dem Strom in einer gegebenen
Windung keinen Beitrag zu dem Feld stromab von der Übergangspunkt. Das kagnetfeld
wird daher schwächer in der Richtung der weiter von einander entfernten Endteile
der Windungen der Spulenwicklung. Je nach dem Muster, nach dem die Windungen den
von diesen umschlossenen iiagaetfeldbezirk überqueren, kann. jede gewünschte Feldverteilung
erzielt werden. Jede Windung ist vorzugsweise mit zwei entgegengesetzten Durchlässen
geeigneter Weite versehen, so dass ein Generatorkanal oder dergleichen durch die
Windung hindurchgeführt werden kann.
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Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den beiliegenden
Zeichnungen ist die Fig.1 eine schematische Darstellung eines khD-Generatore, Fig.2
eine schaubildliche Darstellung eines nach der Erfindung aufgebauten Magneten für
einen MhD-Generator, wobei der Abstand der Windungen von einander übersteigert
und der Kanal mit gestrichelten Linien dargestellt wurde, um die Durchlässe an den
Endteilen der Windungen zu.zeigen, Fig.3 ein Längsschnitt nach der Linie 3-3 in
der Fig:2, Fig.4 ein häugssohnitt durch eine Abwandlung der Ausführungsform nach
der Fig.2,
Fig.5 eine schematische Darstellung des elektrischen
Stromkreises, der von dem Magneten geschaffen wird, wenn dieser aus zwei Teilen
aufgebaut wird, wie in der Fig.4 dargestellt, und die Fig.6 eine graphische Darstellung,
die die Veränderung der Magnetfeldstärke zeigt. Da eine Kenntnis der allgemeinen
Prinzipien, nach denen ein jühD-Generator arbeitet, für das Verständnis der Erfindung
von lyutzen ist, ist in der Fig.1 ein khD-Generator schematisch dargestellt. Wie
zu ersehen ist, weist der Generator einen sich allgemein erweiternden Kanal 1 auf,
in den ein elektrisch leitendes Gas oder Plasma mit einer hohen Temparatur und einem
hohen Druck eingelassen wird, wie durch den Pfeil 2 angedeutet, aus welchem Kanal
das Gas oder Plasma bei 3 (Pfeil) austritt. Der Druck am Austrittsende des Kanals
ist niedriger als am Einlass, aus welchem Grunde das Plasma sich mit hoher Geschwindigkeit
durch den Kanal bewegt, wie durch den Pfeil bei 4 angedeutet. Durch geeignete Wahl
der Druckunterschiedes und der Gestalt des Kanals kann erzielt werden, dass das
Plasma sich durch den Kanal mit im wesentlichen gleichbleibender Geschwindigkeit
bewegt, was für das Arbeiten des Generators erwünscht, aber nicht notwendig ist.
Der Kanal wird außen von einem fortlaufenden elektrischen Leiter in Form einer dicklung
5 umgeben, der aus einer herkömmlichen Stromquelle oder aus dem Generator selbst
ein elektrischer Gleichstrom zugeführt wird. Der durch die Wicklung fließende elektrische
Strom erzeugt einen den Kanal senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasmas und zur
Ebene der Zeichnung durchziehenden Auagnetfluss.
Im Kanal sind die
einander gegenüberstehenden Elektroden 6 und ? angeordnet und können sich längs
des Kanals parallel zur Richtung der Plasmaströmung erstrecken und können ferner
auf einer zur Richtung der Plasmaströmung und zum kagnetf luss senkrechten Achse
einander gegenüberliegend angeordnet sein. Durch das sich mit@großer Geschwindigkeit
durch das Magnetfeld bewegende elektrisch leitende Plasma wird zw ischen den Elektroden
eine in einer Richtung wirkende FMK induziert, wie durch die Pfeile bei 8 angedeutet.
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An die Elektroden 6 und ? ist über die Leiter 11 und 12 eine Belastung
13 angeschlossen, durch die unter der Einwirkung der zwischen den Blektroden induzierten
EkK ein elektrischer Strom fließt. Aus der vorstehenden Beschreibung ist ohne weiteres
zu ersehen, dass bei einem MiD-Generator der genannten Art ein ortsfestes kagnetfeld
und eine sich nach einer Richtung bewegende Gasströmung benutzt wird. Ein solcher
senerator stellt an sich eine Gleichstromquelle dar. Wird ein Wechselstrom gewünscht.,
so muss der Generator besonders aufgebaut werden, oder es muss eine Hilfseinrichtung
vorgesehen werden, die den Gleichstrom in dechseistrom umwandelt.
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Der in den Figuren 2 und 3 dargestellt Magnet umfasst eine Wicklung
20, die aus mehreren in Reihe geschalteten dindungen 21 - 25 besteht. Als Beispiel
sind fünf, in Reihe geschaltete Windungen dargestellt.
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Von der am weitesten außen liegenden Windung 21 der Spulenwicklung
20 wird ein Magnetfeldbezirk 26 umschlossen (Fig.2). Zwecks Isolierung der Windungen
von einander und von dem notwendigen tragenden Aufbau ist eine Isolation 2?, z.B.
Izylar mit einer Dicke von ungefähr o,25 mm vorgesehen.
itit der
am weitesten innen liegenden Windung 25 beginnend kann die Wicklung in der Weise
hergestellt werden, dass ein-Streifen eines isolierten leitenden kateriala, z
.B.
aus Kupfer, zu einer Windung mit der gewünschten, z.-8. allgemein rechteckigen
Form gebogen wird, wie in der Fig.2 dargestellt. Andererseits können die Windungen
aus einzelnen Abschnitten bestehen, die mit einander verlötet werden, um die Herstellung
und das Zusammensetzungen der dicklung zu erleichtern und/oder um in einfacher
Weise die Dicke des@leitenden haterials verändern zu können. Alle nachfolgenden
Windungen werden dann auf der Oberseite der vorhergehenden Windung in genau derselben
Weise geformt, wie herkömmliche' Spulen ge-
wickelt werden. Die Mittelteile
28 und die Endteile 29 der Windungen an dem einen Ende der Spulenwicklung (nach
der Fig. 2 das linke Ende, liegen nahe beieinander, während die Endteile 30 gegenüber
den Endteilen 29 der Windungen an verschiedenen Stellen über den Magnetfeldbezirk
26 hinweggeführt sind.. Die an dem einen Ende der Spulenwicklung liegenden Endteile
30 der Windungen weisen daher einen größeren Abstand von einander auf als die gegenüberliegenden
Endteile 29 der Windungen.
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Durch diese Anordnung wird eine Spulenwicklung geschaffen mit mehreren
Bindungen, deren Achsen 21a-25a (Fig.3) sämtlich in derselben Ebene liegen, jedoch
einen Abstand von einander aufweisen. Die Endteile 29 und 30 einer jeden Bindung
sind mit Öffnungen versehen, wodurch ein Durchlass 31 geschaffen wird, der sich
durch die Endteile der Spulenwicklung senkrecht zu den Achsen der Windungen erstreckt.
Die Breitenabnessungen des leitenden katerials verlaufen parallel zu
den Achsen der
Bindungen, woraus folgt, dass die gegenüberliegenden
Öffnungen
Öffnungen 32.jeder Windung senkrecht
zur Bre.itenabmessung des
leitenden Materials liegen. Der
vorgenannte Durchlast 31 ist
so angeordnet, dass durch die Spulenwicklung
ein Kanal oder
dergleichen senkrecht zu den Achsen der Windungen
hindurchgeführt werden kann.
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Die Endteile 29 und 30 der Windungen
werden vorzugs-
weise etwas dicker bemessen als die kittelteile 28,
um eine Konzentration des Stromes in der Nähe der Öffnungen 32 an den Endteilen
zu vermeiden, die zu einem übermäßig hohen Leistungs-
verbrauch
und zu einer Erhitzung führen kann.
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Die Impedanz eines Magneten mit einer gegebenen Größe wird
grundsätzlich von der Anzahl der 'Nindungen bestimmt.
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dird eine hohe Impedanz gewünscht, so kann
die Anzahl der
Bindungen übermäßig groß werden, so dass die Isolation
zwischen den Windungen einen großen Teil des Spulenvolumens
in Anspruch nimmt, wodurch der Packungsfaktor verkleinert und
der heistungsverbrauch erhöht wird. Diese Schwierigkeit kann
wenigstens zum.
Teil in begrenztem Ausmaß dadurch vermieden werden,
dass die
Spule in zwei Abschnitten 41 und 42 hergestellt wird, von
denen
jeder Abschnitt an den Endteilen der Bindungen eine
halbe
Öffnung 32 aufweist, wie in der Fig.4 dargestellt.
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$iach den Figuren 4 und 5. können die beiden Abschnitte
41 und 42 übereinaadergelegt und in Reihe geschaltet werden.
Bei dieser Anordnungsoll die Dicke des leitenden Materials ungefähr
das Doppelte der Dicke des leitenden Materials bei der
in
den Figuren 2 und 3 *dargestellten Konstruktion mit einen einzigen
:Abechnitt.betragen..Jer von der aus zwei Abschnitten bestehenden
Anordnung nach der Fig.4 geschaffene elektrische Stromkreis
ist in der Fig.5 dargestellt.
Wie zu ersehen ist,
verlaufen alle Bindungen der Spule nicht über deren volle Länge hinweg, Stattdessen
wird der Endteil mindestens einiger Bindungen über den Magnetfeldbezirk an wesentlich
verschiedenen Stellen hinweggeführt. Da der in einer innenliegenden Windung (z.B.
Windung 25) fließende Strom keinen Beitrag zu dem außenliegenden Magnetfeld leistet,
so vermindert sich die Magnetfeldstärke im Magnetfeldbezirk in der Richtung der
einen größeren .Abstand von einander aufweisenden Endteile der Windungen, wie in
der Fig.6 dargestellt.
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Je nach dem Muster, nach dem die Bindungen über den kagnetfeldbezirk
hinweggeführt werden, kann jede gewünschte Feldverteilung erhalten werden.
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Die über den Magnetfeldbezirk hinweggeführten Windungen sowie die
ganze Spulenwicklung soll verstärkt werden, um den magnetischen Beanspruchungen
während des Ein- und Ausschaltens der Wicklung sowie im Betrieb widerstehen zu können.
Bei den iiindungen am Umfang der Spule sind die auftretenden Kräfte allgemein nach
außen gerichtet, während auf die den hagnetfeldbezirk überquerenden Windungen eine
Kraft allgemein senkrecht zu den Achsen der Windungen einwirkt, die sich auf den
den Magnetfeldbezirk überquerenden Teil der Windungen verteilt.
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Die Windungen können z.B. in der Weise verstärkt wer-
den, dass
in den Räumen 45-49 zwischen den Windungen ein geeignetes n=eht-zusammendrückbares
und unmagnetisches katerial vorgesehen wird. Eine Verschiebung an der Außenseite
der Spule kann z.B. durch Glieder mit 1-förmigem Querschnitt verhindert
werden, die durch Verspannungsglieder mit einander verbunden werden.