DE1589594B2

DE1589594B2 - Magnetischer vierpol mit vier supraleitenden spulen und verfahren zur herstellung einer spule hierfuer

Info

Publication number: DE1589594B2
Application number: DE1967C0042078
Authority: DE
Inventors: Luden Sevres Hauts-de-Seine Donadieu (Frankreich)
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1966-04-21
Filing date: 1967-04-18
Publication date: 1978-02-16
Also published as: GB1169075A; LU53449A1; CH471460A; DE1589594A1; US3431523A; FR1504463A; DE1589594C3; BE697060A; SE342347B; NL6705529A

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Vierpol mit vier supraleitenden Spulen, die um einen zylindrischen Innenraum angeordnet sind und je einen Spulenkörper aus einem nichtmagnetischen Material besitzen, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Spule hierfür.

Ein derartiger Vierpol ist aus der Zeitschrift »Bulletin de la Societe Frangaise des Electriciens«, 8. Serie, Bd. V, Oktober 1964, Nr. 58, S. 658 bis S. 662 bekannt.

Das Prinzip der magnetischen Vierpollinsen ohne Eisen ist z. B. aus der Zeitschrift »LeJournal de physique et le radium, physique appliquee«, 21. Jahrgang, Nachtrag zu Heft 3, März 1960, Seiten IA bis 15A bekannt.

Die Herstellung von Vierpolen nach diesem Prinzip mit herkömmlichen Spulen, z. B. aus Kupfer, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten, ist nur von begrenztem Interesse, da man nur geringe Stromdichten erzielen kann und eine sehr hohe elektrische Leistung für den Betrieb der Spulen erforderlich ist.

Durch die Einführung von supraleitenden Stoffen wurde die Herstellung von magnetischen Vierpolen mit Spulen ermöglicht, die diese Nachteile nicht aufweisen.

Höhere Stromdichten in der Größenordnung von einigen hundert Ampere je qmm lassen sich mit ihnen leicht erreichen. Bei kryogenen Temperaturen wird ihr Widerstand gleich Null, und der Leistungsverbrauch der gesamten Vorrichtung bleibt auf die thermischen Verluste der kälteerzeugenden Anlage beschränkt.

Eine bei der Herstellung von supraleitenden Vierpolen zu überwindende Schwierigkeit besteht darin, sie mechanisch so aufzubauen, daß sie elektromagnetischen Kräften bis zu mehreren Tonnen standhalten, die zwischen den stromdurchflossenen Wicklungen auftre-

ten können. Diese Schwierigkeit dürfte z. B. bei der aus der Zeitschrift »Bulletin de la Societe Franchise des Electriciens«, Oktober !964, Seiten 658 bis 662 bekannten Anordnung, die ausdrücklich als Versuchsunordnung bezeichnet ist, flicht überwunden sein. Dort -> sind zwei PTFE-Zylinder konzentrisch zum zylindrischen Innenraum angeordnet und sollen alle vier Spulen zwischen sich festhalten. Offenbar eignet sich diese Konstruktion nicht für große Leistungen, da die Spulen durch die auftretenden elektromagnetischen Kräfte verformt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es also, einen magnetischen Vierpol der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem der mechanische Aufbau des Spulenkörpers den von den stromdurchflossenen Wicklungen ausgehenden π elektromagnetischen Kräften auch bei großen Leistungen standhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs enthaltenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Vierpols werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher 2"> beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt eines Spulenkörpers für einen Vierpol,

Fig. 2 einen Querschnitt einer Spule mit Spulenkörper gemäß einer anderen Ausführungsart, jo

F i g. 3 einen Aufriß eines Spulenkörpers entsprechend der Ausführungsart nach F i g. 2,

F i g. 4 einen Querschnitt eines Vierpols in einer zu dessen Achse senkrecht verlaufenden Ebene mit Spulenkörpern gemäß F i g. 2 und 3, ;->

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines mit einer Spule ausgestatteten Spulenkörpers des Vierpols nach F i g. 4,

Fig.6 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Kernmantels des Vierpols gemäß F i g. 4 und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines teilweise montierten Vierpols gemäß F i g. 4.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines prismaförmigen Spulenkörpers; dieser hat im Querschnitt die Form zweier gleichschenkliger Trapeze 3 und 4 mit 4^r> gemeinsamer kleiner Grundseite.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Spule, deren Spulenkörper nach einer anderen Ausführungsart hergestellt und bei der die große Grundseite des Trapezes 3 durch einen Viertelkreisbogen ersetzt wurde, der zur Außenseite der Spule hin konkav ausgebildet ist.

Der von den Schenkeln 41 und 42 des Trapezes 4 gebildete Winkel hat 30° bis 50°, vorzugsweise 40°. Wie im folgenden beschrieben, läßt sich hierdurch ein sehr konstanter Magnetfeldgradient des Vierpols erreichen.

F i g. 3 zeigt den Spulenkörper nach der Ausführungsart der F i g. 2. Die Endflächen 5 und 6 des metallischen Teils des Spulenkörpers sind eben, und der durch deren Ebene mit einer zu den Mantelflächen des Prismas bo senkrecht verlaufenden Ebene gebildete Flächenwinkel hat 10° bis 30°, vorzugsweise annähernd 17°.

Der Metallkern weist aus Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluorethylen, Polyamid oder Polyäthylen bestehende Endstücke 7 und 8 auf. Diese Endstücke b5 haben im wesentlichen die Form zweier halbierter Kegelstümpfe mit gleicher Achse und gemeinsamer Grundfläche, die auf den ebenen Stirnflächen des

metallischen Teils des Kerns aufliegen; die Endstücke werden zum Beispiel mit Schrauben an dem Metalltcil befestigt.

Aus F i g. 2 ist die Herstellung der Spule ersichtlich, bei der ein supraleitendes Kabel parallel zu den Mantellinien des Prismas in mehreren Schichten 10 um den Kern gewickelt wird. Dieser wird mit seiner Mittenbohrung 50, deren Achse senkrecht zu den Kanten des Kerns und parallel zu dessen Symmetrieebene verläuft, auf die Welle einer Wickelmaschine aufgesetzt. Die Spule wird hierbei von den Flanschen 31 und 32 des Kerns und durch die Wangen 33 und 34 gehalten, die aus einer Vielzahl von aufeinandergeschraubten Flachstäben 35 bestehen, deren erster auf dem abgeflachten Teil 37 der Grundseite des Spulenkörpers befestigt ist.

Die Wangen 33 und 34 verlaufen parallel zu den Flanschen 31 und 32 und bilden zueinander einen Winkel von 90°.

Das Metall des Spulenkörpers ist nichtmagnetisch, um eine Deformation des durch die Wicklung erzeugten Magnetfelds infolge von Sättigung zu verhindern.

Vorzugsweise benutzt man Messing oder Duralumini-

F i g. 5 zeigt die nach dem obigen Verfahren fertiggestellte Spule.

Bei dem die Wicklung bildenden Kabel handelt es sich beispielsweise um einen isolierten Draht aus mit Indium legiertem Niobium-Zirkonium, der eine Stromdichte von etwa 175 A/mm² zuläßt.

Zur Herstellung eines Vierpols werden vier wie in Fig. 5 gezeigte Spulen mit ihren Flächen 30 einander gegenüber angeordnet, so daß diese einen zylindrischen Raum 59 (F i g. 4) bilden; danach werden die Spulen mit einem zylindrischen Mantel umgeben.

F i g. 4 zeigt den Vierpol im Querschnitt senkrecht zu seiner Achse.

Der Mantel besteht vorzugsweise aus vier gleichen Teilen 61,62,63 und 64.

F i g. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dieser Teile. Auf jedem Teil ist ein mit zugehöriger Wicklung versehener Spulenkörper 71 bis 74 durch Schrauben 75 befestigt.

Die Flußrichtung der Ströme in den Wicklungen ist so gewählt, daß die Vorrichtung vier trapezförmige, einander zugekehrte Spulen jeweils 2 Pole gleichen Vorzeichens bilden; die beiden anderen Pole sind entgegengesetzten Vorzeichens.

Die Stromrichtung zeigt Fig.4; in dieser stellt das Pluszeichen einen in Zeichnungsebene von hinten nach vorn fließenden Strom dar.

Es seien / und K zwei äußere Leiter einer Spule mit den Querschnittskanten A, B, C, Dim gleichen Abstand vom Mittelpunkt Odes zylindrischen Teils 59. Mit a ist der Abstand J-K und mit b der Abstand des Punkts O vom Fußpunkt der Senkrechten zu J-K angegeben. Eine Berechnung ergibt, daß der Verlauf des Magnetfelds im zylindrischen Teil 59 besonders günstig ist,

wenn sich das Verhältnis τ für möglichst viele

Leiterpaare dem Wert 0,5 nähert.

Die Trapezform der Kerne und Spulen sowie deren Anordnung nebeneinander und Abmessungen ermöglichen es, den theoretischen Idealaufbau im wesentlichen zu erreichen.

Die Teile des Mantels werden durch Bolzen und Muttern in den Bohrungen 76 zusammengehalten.

Fig. 7 zeigt perspektivisch den Zusammenbau des

Vierpols; drei der vier Spulen sind bereits miteinander und mit den Teilen des Mantels verbunden.

Durch Aufschrumpfen von .Stahlkabeln um i\cu Mantel wird eine einwandfreie mechanische Festigkeit der gesamten Vorrichtung er/ielt.

Der Mantel wild an seinen Knden durch vorzugsweise aus Weicheisen bestehenden Platten verschlossen und dadurch gleichzeitig das Verlustfeld des Vierpols begrenzt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnuimcn

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetischer Vierpol mit vier supraleitenden Spulen, die um einen zylindrischen Innenraum ~> angeordnet sind und je einen Spulenkörper aus einem nichtmagnetischen Material besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper aus Metall bestehen und die Form eines Prismas aufweisen, dessen einer Prismagrundfläche entspre- in chender Querschnitt die Form zweier gleichschenkliger Trapeze (3, 4) mit gemeinsamer kleiner Grundseite hat, und daß jeweils die Wicklungen (10) parallel zu den Mantellinien des Prismas aufgewikkeltsind. r>

2. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (41, 42) des äußeren Trapezes (4) des Querschnitts des Spulenkörpers zwischen sich einen Winkel von 30° bis 50°, vorzugsweise von 40° einschließen.

3. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die große Grundseite (30) des inneren Trapezes (3) des Querschnitts des Spulenkörpers die Form eines nach der Außenseite des Trapezes konkav ausgebildeten Kreisbogens aufweist. 2">

4. Vierpol nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisbogen ein Viertel des Kreisumfangs einnimmt.

5. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper auf jeder Stirnseite (5, 6) ein Endstück (7, 8) aufweisen, das die Form zweier halbierter Kegelstümpfe mit gleicher Achse besitzt, die mit ihrer kleinen Grundfläche aneinanderliegen.

6. Vierpol nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstücke (7, 8) aus Kunststoff wie r> Polytetrafluoräthylen, Polyamid oder Polyäthylen bestehen.

7. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Wicklungen seitlich auf ihrer gesamten Länge von zwei Wangen (33, 34) gehalten werden, die aus je einem Stapel von Flachstäben (35) mit rechtwinkligem Querschnitt bestehen, und deren erster sich auf einem abgeflachten Teil (37) an einer zum äußeren Trapez (4) gehörigen Kante des Spulenkörpers abstützt. 4^r>

8. Vierpol nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachstäbe (35) miteinander und mit dem Spulenkörper verschraubbar sind.

9. Vierpol nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, den jede von der Stirnseite (5,6) ■> <) des Spulenkörpers gebildete Ebene mit einer zu den Mantellinien des Prismas senkrecht verlaufenden Ebene einschließt, 10° bis 30°, vorzugsweise 17° beträgt.

10. Vierpol nach Anspruch 7, dadurch gekenn- vi zeichnet, daß die Wangen (33,34) jeweils parallel zu den Mantelflächen (31, 32) das Spulenkörpers (3, 4) verlaufen, die den ihnen gegenüberliegenden Schenkel des inneren Trapezes (3) bilden, und daß die Wicklung (10) zwischen den Wangen (33, 34) und bo den Mantelflächen (31,32) angeordnet ist.

11. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper in der Mitte eine Öffnung (50) aufweisen, deren Achse senkrecht zu den Kanten des Körpers verläuft.

12. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper aus Messing oder Duraluminium bestehen.

13. Vierpol nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen miteinander durch einen sie umgebenden Mantel (61—64) zusammengehalten sind.

14. Vierpol nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (61—64) aus vier Teilen besteht, an die jeweils eine Spule geschraubt ist.

15. Vierpol nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Teile des Mantels (61—64) miteinander verschraubt sind.

16. Vierpol nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Metallkabel gebildeter Schrumpfring um die Außenfläche des Mantels (61—64) gelegt ist.

17. Vierpol nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel auf jedem Ende durch eine Platte aus Weicheisen abgeschlossen ist.

18 Verfahren zur Herstellung einer .Spule für einen Vierpol nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper auf der Welle einer Wickelmaschine befestigt und die Wicklung seitlich durch Wangen aus einem Stapel von Flachstäben gehalten wird, die mit zunehmender Dicke der Spule aufeinandergelegt werden.