DE1464954A1

DE1464954A1 - Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes hoher Magnetflussdichte

Info

Publication number: DE1464954A1
Application number: DE19641464954
Authority: DE
Inventors: Day Edward Alfred; Brower David Farmer
Original assignee: Gulf General Atomic Inc
Current assignee: Gulf General Atomic Inc
Priority date: 1963-07-29
Filing date: 1964-07-23
Publication date: 1969-05-14
Also published as: US3282077A; CH437528A; AT248832B

Description

Dipl.-Ing.F.Weickmann, Dr. Ing. A.Weickmann, Dipl.-Ing.H.Weickmann Dipl.-Phys. Dr. K. Finckb Patentanwälte

CDE β MÜNCHEN 27, MOHLST*ASSE 22, aUFNUMMEIl 483921/22 I H O T 3 O *♦

General Dynamics Corporation, One Rockefeller Plaza, New York, N.Y. U.S.A.

Einrichtung zur Erzeugung eines Magna tfeldea hoher

Magnetflußdichte

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes hoher Flußdichte·

In letzter Zeit sind Verfahren von Einrichtungen entwickelt worden, um Werkstoffe unter Verwendung magnetischer Felder hoher Magnetflußdlchte zu verformen. Bei den bekannten Verfahren und Einrichtungen wird ein elektrisch leitendes Werkstück in der Nähe eines geformten Leiters angeordnet und ein Stromimpuls hoher Ampere-Zahl durch den Leiter his« ■ durchgejagt, so daß eich ein Magnetfeld hoher MagntfcfluS-dichte in der Umgebung des Leiters beilden kann. Dieses · Magnetfeld hoher Dichte, dessen Feldverlauf von der Form des Leiters abhängig ist, induziert einen elektrischen

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Strom in dem elektrisch leitenden Werkstück; der Strom wird auf der Oberfläche des Werkzeugs konzentriert und besitzt stets eine solche Richtung, daß er das Magnetfeld von dem Werkstück fernzuhalten sucht. Die Wechselwirkung des Magnetfeldes und des induzierten elektrischen Stromes erzeugt einen mechanischen Druck an dem Werkstück. Dieser ist proportional der Energiedichte in dem Feld. In der Praxis wird ein Magnetfeld so hoher Dichte erzeugt, daß das Werkstück unter dem ausgeübten mechanischen Druck verformt wird.

Ein wesentlicher Bestandteil elektromagnetischer Formgeräte ist natürlich diejenige Einrichtung, durch die das notwendige Magnetfeld erzeugt wird. Gewöhnlich umfaßt eine solche Einrichtung einen elektrischen Leiter von geringem •Ohm'schem Widerstand; dieser Leiter ist zu einer Wendel, einer Flachspirale, einer Schleife oder einer ähnlichen Konfiguration geformt, so daß dank der jeweiligen Formgebung ein konzentriertes Magnetfeld der jeweils gewünschten Form erzeugt wird. Bei industrieller Anwendung in Fällen, in denen eine kontinuierliche Arbeitsweise über längere Zeit hinweg gewünscht wird, führen die extrem hohen Stromstöße in dem Leiter zu einer Erhitzung; diese Erhitzung ist wegen der notwendigerweise schweren Isolierung in der Umgebung des Leiters nur alt Schwierigkeiten zu beseitigen, jedenfalls nach der umgebenden Atmosphäre hin.

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Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein flüssiges Kühlmittel durch einen rohrförmig geformten Leiter zu schicken und auf solche Weise die Hitze abzuführen. Es ist aber zu berücksichtigen« daß man bei einer solchen Anordnung sowohl eine Hochspannung als auch den EUhlmittelkreislauf an den Leiter anschließen muß, daß man also, um die Sicherheit des Bedienungspersonals zu gewährleisten, das Kühlmittelsystem auf Erdpotential halten muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für Flüssigkeitskühlung geeignete Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds hoher Magnetflußdichte zu schaffen, bei der der Kühlmittelkreislauf auf Erdpotential liegt. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Einrichtung,die gebildet ist von einem elektrischen Strom führenden, an ein Kühlmittel angeschlossenen und zu mindestens einer Windung verformten Leiter der Leiter aus zwei Seite an Seite liegenden und parallele Wege laufenden Abschnitten zusammengesetzt ist, die an ihren einen benachbarten Enden durch ein Zwischenrohrstück miteinander verbunden sind und an ihren anderen einander ebenfalls benachbarten Enden einen Einlaß und einen Auslaß für ein Kühlmittel bilden, daß dieser Einlaß und dieser Auslaß an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind, daß der Zwisehenrohrabschnitt an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist wähend die den Kühlmitteleinlaß und den Kühlmittelauslaß bildenden Enden der Leiterabschnitte auf einem niedrigen elektrischen Potential liegen.

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Die beiliegenden Figuren erläutern die Erfindung· Es stellen dar:

Figur 1 eine Teilansicht im Aufriß einer erfihdungsgemäßeri Einrichtung,

Figur 2 eine Teilansicht der Einrichtung gemäß Figur 1.

von vorne,
Figur λ eine Explosionszeichnung eines Teils der in den

Figuren 1 und 2 erkennbaren Elemente.

Die Einrichtung ist in den Figuren als Ganze mit 11 bezeichnet; sie umfaßt einen stromführenden elektrischen Leiter 13, der in einen ersten und einen zweiten Leiterabschnitt 15 bzw. 17 zerfällt; die beiden Leiterabschnitte verlaufen Seite an Seite über den gleichen Weg und sind an ihren einen, einander benachbarten Enden durch einen Zwischenrohrabschnitt 19 miteinander verbunden. Die beiden Leiterabschnitte bilden also zusammen in der Abwicklung eine Gabel oder U-Konfiguration; Einlaß und Auslaß sind an den jeweils anderen, einander ebenfalls benachbarten Enden der Abschnitte angeordnet. Diese Enden sind mit 16 und 18 bezeichnet; hier findet der Anschluß an eine RUhI-mittelversorgung statt.

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to Der elektrische Leiter 13 ist auf einem Kern 23 aufge-

£> wickelt; eine Kontaktplattenbaugruppe 25 dient dem An-Q schluß des Zwischenrohrabschnittes 19 an eine Stromquelle,

<i die auf hohem elektrischen Potential liegt; eine Erdungso , .■■■-■ :

plattenbaugruppe 27 dient dem Anschluß der Enden 16 und 18 der Abschnitte 15 bzw. 17 an ein Eräpotential oder jeden- · falls ein niedriges Potential. Bei dieser Schaltung fließt

ein Stromimpuls hoher Ampere-Zahl durch den Leiter 13 auf parallelen Wegen, die durch den ersten und den zweiten Leiterabschnitt vorgeschrieben sind. Da die an den Kühlmittelkreislauf angeschlossenen Enden ebenfalls auf niedrigem Potential, gegebenenfalls sogar auf Erdpotential liegen treten keine Isolations- und /Jicherheitsprobleme auf« wie sie auftreten würden« wenn das Kühlmittel an einer Stelle hohen elektrischen Potentials zu- oder abfließen würde.

Wenn nun die Einzelheiten behandelt werden, so sei an erster Stelle erwähnt, daß der Leiter 13 ein längliches Rohr aus Kupfer oder anderem gut leitendem Werkstoff istj dieses Kupferrohr zerfällt, wie bereits angegeben, in den ersten und den zweiten Abschnitt, wobei die Abschnitte zusammen eine Gabel oder U-Konfiguration in ihrer Abwicklung ergeben« Das Rohr bildet die Leitung 21. Der erste und zweite Leiterabschnitt sind mit einem isolierenden Werkstoff überzogenj der Zwlschenrohrabschnitt 1st jedoch nicht überzogen, so daß hler ein elektrischer Anschluß vermittele der Kontaktplattenbaugruppe 25 möglich 1st· Die Rohrabschnittenden 16 ,und 18 sind ebenfalls abisoliert, so daß hier an der Erdungsplattenbaugruppe 27 angeschlossen werden kann*

Der Leiter 13 kann zu verschiedenen Konfigurationen ver- forat sein· Die einsige Bedingung ist lamer, daß ein Macnetfeld hoher Jtagnetstromdichte erhalten wird. Allen

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bekannten Konfigurationen ist indes gemeinsam» daß sie mindestens eine Windung oder Schleife bilden. Dadurch wird von einem hindurchgejagten Stromimpuls ein konzentriertes Magnetfeld aufgebaut. In der gezeichneten Ausführungsform ist der Leiter 13 zu einer Wendel auf einem Kern 23 gewickelt; der Kern ist aus einem elektrisch leitendem Material, z.B. aus einer Berylliumkupferlegierung gegossen und hat die Form eines Hohlzylinders. Im Betrieb induziert das Magnetfeld, welches der im Leiter fließende Strom erzeugt, einen Strom in der Außenfläche des Kerns; es ist eine Radialnut 29 vorhanden, die den induzierten Strom dazu zwingt, von der Innenfläche des Kerns ausgehend längs der Begrenzungsflächen des Radialschlitzes nach der Innenfläche des Kerns hin zu fließen. Ein Isoliermaterialstreifen, beispielsweise aus glasfaserarmiertem Kunststoff, ist in den Schlitz eingelegt, so daß dessen gewünschte Größe aufrecht erhalten wird.

Die Außenfläche des Kerns 23 ist mit einer doppelgängigen Schraubennut 33 versehen; diese doppelgängige Schraubennut nimmt den ersten und den zweiten Leiterabschnitt des Leiters 13 auf; diese Abschnitte verlaufen also'Seite an Seite; eie können gleichzeitig auf den Kern gewickelt werden. Die aneinander anliegenden Nuten 33 und auch die In Ihnen liegenden Leiterabschnitte sind durch schraubenförmig verlaufende Rippen 35 voneinander getrennt, welche ebenfalls um den Kern herum laufen· Die Anordnung dee Leiters

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innerhalb der schraubenförmig verlaufenden Nuten 33 und die Flankierung der Leiterabschnitte durch die Rippen 35 bewirkt eine Stromverteilung guter Gleichmäßigkeit In den Leitern; die Leckinduktivitäten werden verringert» die Ohm'schen Verluste werden ebenfalls verkleinert. Kräfte, welche den Leiter und den Kern voneinander zu trennen versuchen, sind auf ein Minimum reduziert.

Der Kern 23 besitzt eine im großen und ganzen zylindrische Höhlung 37, welche Feldformungselemente aufnehmen kann. Eingezeichnet sind diese jedoch nicht. Beispiele solcher Feldformungselemente sind in der deutschen Patentanmeldung

G 393*+7 Ib/7c entsprechend der US-Patentanmeldung Ser. No. 2*+3 010 dargestellt, die der Anmelderin gehört.

Der Leiter 13 ist auf den Kern 23 so aufgewickelt, daß er sich von einem Ende bis zum anderen erstreckt. Der zu einer Schleife gebogene Zwischenrohrabschnitt steht in radialer Richtung von dem Kern ab und zwar an dessen einem Ende. Die Enden 16 und 18 der Leit%erabsehnitte 15 und 17 stehen ebenfalls in radialer Richtung von dem Kern ab und zwar an dessen anderem Ende. Der zur Schleife gebogene Zwischenrohrabechnitt 19 und die Enden 16 und 18 befinden sich annähernd in ein und derselben Radialebene durch die Achse dee Kerns· Sie werden in ihrer Stellung am Kern gehalten

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durch einen Anschlußkörper 39· auf den noch einzugehen sein wird. Die Enden des ersten und des zweiten Rohrabschnitts haben solchen Abstand voneinander, daß die Befestigung des KUhlmittelsystems ermöglicht ist.

Der Leiter 13« der auf dem Kern 23 sitzt, ist abgestützt durch Isolier- und Befestigungsmaterial, das ihn auf seiner Außenseite umgibt. Es handelt sich um ein Glasfasergewebe, welches um den bewickelten Kern 13 herumgewickelt ist und auch um diejenigen Teile des Kerns, die nicht bewickelt sind. Der kunststoffimprägnierte Glasfaserstoff ist seinerseits mit einer Isolierstoffschicht ^5 bedeckt, etwa mit einer wärmehärtbaren Epoxyharzschicht.

Um eine weitere Festigkeitserhöhung zu erzielen und um gleich-, zeitig den erzeugten Magnetfluß zu begrenzen, ist ein Hohlzylinder aus Stahl k7 in der Umgebung des Kerns 23 und des auf ihn aufgewickelten Leiters 13 vorgesehen! an dem Hohlzylinder ist eine radial abstehende Platte **9 befestigt, die durch Ansätze 51 gehalten ist; diese Platte dient der Befestigung des Anschlußkörpers 39· Eine Positionierungsfahne steht von der Platte ^9 ab und unterstützt die Anbringung der Felderzeugungseinrichtung an dem elektromagnetischen Verformungsgerät.

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Der Hohlzylinder k7 weist einen Schlitz 55 auf und zwar in der Nähe der radial abstehenden Befestigungsplatte M-9; der Schlitz befindet sich nächst einer Kante der Befestiguhgsplatte *f9 und dient dem Durchtritt der Enden 16 und 18 der Leiterabschnitte 15 bzw. 17. Eine Kerbe 57 ist auch an dem anderen Rand des Hohlzylinders nächst der radial abstehenden Befestigungsplatte **9 vorgesehen} sie dient dem Durchtritt des zu einer Schleife gebogenen Zwischenrohrabschnltts 19· Die radial nach außen stehenden Teile des Leiters 13 sind an der Platte befestigt, wie noch im einzelnen anzugeben sein wird.

Ein Paar Ringscheiben 59t 60 aus Isolierstoff, etwa aus wärmehärtbarem Phenolharz ist mittels Befestigungsschrauben 61 an die Enden des Kerns angeordnet. Die Ringscheiben 59» 60 überdecken die Ränder des Stahlzylinders k7. Die Ringscheiben halten den Kern innerhalb des Stahlzylinders. Eine der Ringscheiben 6o weist eine etwas größere zentrale Öffnung auf, als die andere, so daß ein hler nicht eingezeichnetes Feldformungselement eingeführt werden kann, um innerhalb der zylindrischen Ausnehmung 39 des Kerns dann an der Ringscheibe 59 anzuschlagen.

Der Befestigungskörper 39 dient sowohl der mechanischen Befestigung an dem Gesamtgerät als auch für die Anbringung folgender weiterer Teile: Hochspannungskontaktplattenbaugruppe 25« Erdungsp^attenbaugruppe 27. Zwischenrohr abschnitt 19,

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Leiterenden l6 und 18 der Leiterabschnitte 15 und 17 · Die Trägerplatte ^9« die selbst an dem Stahlmantel ^7 befestigt ist, bildet mechanisch die Stützkonstruktion des ganzen Körpers 39J an ihrer einen Seite, die im folgenden als die Vorderseite bezeichnet wird, liegt eine Isolierschicht 63 an, die beispielsweise aus wärmehärtbarem Phenolharz besteht. An der Vorderseite dieser Tafel 63 liegt eine weitere dünne Isolierschicht 65 an. An der Vorderseite der Isolierschicht liegt die Kontaktplattenbaugruppe an. Die Kontaktplattenbaugruppe umfaßt ein Positionierungsglied 67, einen Hochspannungskontakt 69, eine Abdeckplatte 71 und eine Abschirmung 73· Das Positionierungsorgan ist als eine flache Platte aus isolierendem Werkstoff hergestellt. Seine Stärke ist ein wenig größer als diejenige des nicht isolierten Abschnitts von Teil 19· Die Positionierungsplatte 67 weist eine Ausnehmung 75 auf, die sich leicht geneigt nach unten erstreckt und die dazu bestimmt ist, den zu einer Schleife geformten Zwischenrohrabschnitt 19 aufzunehmen, während dieser in Berührung steht mit der Schicht 65· Der Hochspannungskontakt 69 hat die Form eines runden Kontaktkörpers aus leitendem Werkstoff. Er weist einen Flansch an seiner Rückseite auf. Die Stärke des Flansches ist einwenig geringer als die Stärke der Positionierungsplatte 67t, sein Durchmesser ein wenig kleiner als der Innendurchmesser der Ausnehmung 75· Der Flansch paßt also gut in die Ausnehmung 75 und steht über die Vorderseite der Posi-

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tionierungsplatte 67 hinaus nach vorne vor.

Die rückwärtige Fläche des Kontaktkörpers 69 weist eine U-förmige Nut 79 auf, deren Tiefe etwas größer ist als die Stärke des zu einer Schleife gebogenen Abschnitts des ZwischenrohrStücks 19« so daß die Nut diesen Abschnitt vollständig aufnimmt. Demgemäß sind der Zwischenrohrabschnitt 19 und der Hochspannungskontaktkörper 69 innerhalb der Ausnehmung 75 untergebracht» wobei der Zwischenrohrabsehnitt 19 innerhalb der Nut 79 in der Kontaktplatte 69 zu finden ist.

Die Deckplatte 71 ist an der Vorderseite der Positionierungsplatte angeordnet 5 sie besteht aus einem haltbaren Isoliermaterial. In der Platte befindet sich eine kreisförmige Öffnung 8l, durch die das vordere Ende des Hochspannungskontaktkörpers hindurchragt. An der Vorderseite der Deckplatte ist die Hochspannungsabschirmung 73 angebracht, die wiederum aus Isolierwerkstoff bes.teht. Die Platten 67 und 71 und die Isolierschicht 63 sind untereinander und mit der Trägerplatte ^-9· somit also auch mit dem Stahlmantel k? verbunden und zwar durch Gewindebolzen

An der Rückseite der Trägerplatte !+9 1st die Erdungsplattenbaugruppe 27 angebracht 5 sie umfaßt eine leitende Erdungsplatte 85 mit einem mlttlg angeordneten Loch 875 durch

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dieses Loch greift der Positionierungszapfen 53 der Trägerplatte k-7 hindurch. Ein leitendes Gehäuse 89 ist an der unteren Kante der Erdungsplatte angeordnet und umschließt die Enden l6 und l8 des ersten bzw. zweiten Leiterabschnitts 15 bzw. 17« die ja durch den Stahlmantel J+7 hindurchragen. Diese Enden l6 und l8 sind abisoliert und an der Rückwand des Gehäuses befestigt; an jedem Ende ist ein äußerer Anschlußfitting 91 angebracht, durch den die Leiter an eine KUhlmittelversorgung angeschlossen werden können. Die Erdungsplattenbaugruppe 27« umfassend die Erdungsplatte 85* das Gehäuse 89 und den Fitting 91 sind aus elektrisch leitendem Werkstoff hergestellt und so miteinander verbunden, daß sie auf im wesentlichen dem gleichen elektrischen Potential liegen·

Im Betrieb wird die ganze Einrichtung durch eine Klammer getragen, die ein Teil des elektromagnetischen Formungsgeräts ist; die Erdungsplatte 85 ist dabei auf Erdpotential gelegt; der Kontakt 69 ist mit einer Hochspannungsquelle verbunden. Die Enden l6 und l8 der Leiterabschnitte liegen ebenfalls auf Erdpotential während der Zwischenrohrabschnitt 19 an eine Hochspannungsquelle gelegt ist. Es fließt ein starker Strom durch die Leitungsabschnitte 15 und 17. Die Fittings 91 sind an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen, so daß ein Kühlmittel durch eines der Leiterabschnittenden zuströmen und durch das andere ab-

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strömen kann· Da die Enden der Leiterabschnitte auf Erdpotential liegen, liegt auoh die Kühlmittelversorgung auf Erdpotential.

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Claims

Patentansprüche

Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes hoher Magnetflußdiehte, umfassend einen elektrischen Leiter, der gleichzeitig eine Leitung für ein Kühlmittel bildet und zu mindestens einer Windung geformt 1st, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus zwei Seite an Seite liegenden und parallele Wege laufenden Abschnitten zusammengesetzt 1st, die an Ihren einen benachbarten Enden dureh ein Zwischenrohr stück miteinander verbunden sind und an ihren anderen einander ebenfalls benachbarten Enden einen Einlaß und einen Auslaß für ein Kühlmittel bilden, daß dieser Einlaß und dieser Auslaß an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind, daß der Zwlschenrohrabschnltt an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist während die den Kühlmitteleinlaß und den Kühlmittelauslaß bildenden Enden der Leiterabschnitte auf einem niedrigen elektrischen Potential liegen.

2· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte zu einer Wendel mit Seite an Seite'verlaufenden Windungen gewiekelt sind·

3· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2« dadurch gekennzeichnet, daß die Seite an Seite parallel verlaufenden Windungen der Wendel auf einen zylindrischen Kern aus elektrisch leitendem Material gewiekelt sind· In dessen Außenfläche mindestens eine schraubenförmig verlaufende Hat eingelassen 1st, welche die Windungen der Wendel aufnimmt.

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if· Einrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß in den elektrisch leitenden Kern «ine doppelte Schraubennut eingelassen ist« von denen jeweils eine die eines Leiterabschnitt zugehörigen Windungen aufnisst·

5* Einrichtung nach eines der Ansprüche 1 bis h_t dadurch gekennzeichnet« daß der elektrisch« Anschloß des Zwischen· rohrstüeks Mittels eines «ins« Anschlußte11 zugehörigen Kontakt hergestellt ist« dafl dieser Anechlußteil auch die mit den EUhlmittelanschlüe«en der Abschnitte versehenen Enden dieser Abschnitte trägt und eine mit diesen Enden elektrisch verbundene Erdangeplatte aufweist, die eine elektrische Verbindung zwischen diesen Enden herstellt mit einem Brdpotential und dafi die Verbindung Bit dem Kühlmittelkreislauf ebenfalls an dieses Anschluftell hergestellt ist·

6* Einrichtung nach eines der Ansprüche 1 bis 5« dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenrohrabsehnitt su einer Sohlelfe gebogen ist« dal 4er elektrische Anschluß zwischen demZwiechenrohrabschnitt und der elektrischen Hoehipannongsquelle einen isolierten Träger aufweist, dessen eine Seitenfläche an des zu einer Schleife geforsten Zwischenrohrabschnitt anliegt« daß eine Positlonierungsplatte an des Isolierten Träger anliegt und eine Ausnehmung aufweist« welche den Zwisehenrohrabschnitt atifnisstt, daß ein Kontaktkörper in die Ausnehmung der Positlonierungsplatte hineinragt und eine Aufnahsenut für den zur Schleife gebogenen Zwischenrohrabsehnitt aufweist und daß schließlich eine Deckplatte auf 4er Positionierungsplatte aufliegt« welche ein Loch für den Durchtritt des Kontaktkörpers aufweist·

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