DE1589595C - Vorrichtung zum Erzeugen eines starken Magnetfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines starken impulsartigen Magnetfeldes relativ großer Ausdehnung, bestehend aus einer bandförmig aus elektrisch leitendem Material unter Zwischenlage von Isoliermaterial gewundenen Spule, welche an eine Stromimpulse bis zu über 10^e Ampere liefernde Starkstromimpulsquelle angeschlossen ist.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zur Umformung von Blechen oder Rohren durch magnetische Kräfte verwendet. Dabei werden hohe Ströme kurzzeitig durch eine Magnetspule geleitet, welche zum schnellen Aufbau der Magnetfelder an eine Stoßstromanlage angeschlossen ist, in der Regel eine Kondensatorbatterie, deren Energie über einen Funkenstrecken-Schalter in die jeweilige Spule entladen wird.

Für die Magnetspule sind bereits verschiedene Ausbildungsformen vorgeschlagen worden. Beispielsweise gehört es zum Stand der Technik, die Magnetspule aus einem bandförmigen Leiter zu bilden, der zu einer Spirale mit radial aufeinanderliegenden Windungen gewickelt ist und axiale Kräfte aufnimmt, während die radialen Kräfte von Bandagen aufgefangen werden. Zur Entlastung der Spule ist es darüber hinauf noch bekannt, darin einen Feldformer anzuordnen d. h. einen radial einmal geschlitzten, massiven metal lischen Zylinder.

Insbesondere ist ein magnetischer Umformer mi einer Spule dieser Art bekanntgeworden, welche· auch als Transformator verwendet werden kann. Dk Spule wirkt als Primärwicklung, wobei der zu einer Spirale gewickelte Leiter mit elektrisch isolierendem

ίο Material beschichtet ist, während die Sekundärwicklung aus einmal längsgeschlitzten, parallelgeschalteter Hülsen besteht, welche konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Hülser eine Windung der Leiterspirale umgeben. Bei Ver-Wendung als Magnetumformer ist innerhalb der Spule ein Flußkonzentrator angeordnet, welcher elektrisch leitend mit der Sekundärwicklung verbunden ist, während die Primärwicklung an eine Kondensatorbatterie angeschlossen ist, und zwar über einen Schalter. Be:

Betätigung desselben fließt ein Impuls hoher Stromstärke durch die Primärwicklung, so daß ein starke; magnetisches Feld aufgebaut wird.

Es sind bereits verschiedene Unipolarmaschine! zur Erzeugung von Starkstromimpulsen mit eine.

Stärke bis zu über 16^e Ampere innerhalb einer Zei von ungefähr ¹Ao Sekunde bei beispielsweise etw; 50 Volt bekannt, und man hat auch schon bei sol chen Maschinen vorgeschlagen, die kinetische Energl· des auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigte!

Rotors auszunutzen, indem zur Auslösung eine Stromimpulses eine elektrisch leitende Flüssigkei zwischen Rotor und Stator, beide elektrisch leitenc eingespritzt wird (deutsche Patentschrift 1 301 855; Sollen mit, derartigen Starkstromimpulsquellen un daran angeschlossenen Spulenanordnungen intensiv Magnetfelder erzeugt werden, dann sind Spulenar. Ordnungen mit hoher mechanischer Festigkeit, schwa chen Impedanzen mit Widerstandswerten in de Größenordnung von einigen Mikroohm und Indul< tivitäten von einigen Mikrohenry erforderlich, wa bei den bekannten, oben geschilderten Anordnunge nicht gegeben ist, bei denen im übrigen die sehr ku zen Starkstromimpulse erhebliche Skineffekte bewr ken, welche bekanntlich wiederum die Impedanz dt jeweiligen Spule erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtur der eingangs angegebenen Art zu schallen, welcl· insbesondere eine hohe mechanische Festigkeit un einen verringerten inneren elektrischen Widerstan der Spule aufweist, ferner mit praktisch keinerl· Skineffekt in der Spule behaftet ist.

Dies ist erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß d Spulenanordnung aus zwei in ihrer Grundform höh zylindrischen Körpern aus elektrisch leitendem Mal· rial besteht, von denen jeder durch mindestens eir zylindrische Isolierschicht in spiralförmiger Anon nung in Lamellen aufgeteilt ist, und welche unt Zwischenfügung einer isolierenden Blende so axi aneinander gesetzt sind, daß die Lamellen gege; sinnig verlaufen, wobei die Körper über ihre inne oder äußere Mantelfläche hintereinandergeschalt und über ihre äußere bzw. innere Mantelfläche ; die Starkstromimpulsquelle angeschlossen sind.

In weiterer Vervollkommnung der Erfindung sii die beiden Körper durch eine elektrisch leitenc: längsgeschlitzte Hülse hintereinandergeschaltet, c sich axial über die gesamte Länge der beiden ι Isolierblende einschließenden Körper erstreckt. Wi

terhin sind die Körper vorzugsweise über je einen elektrisch leitenden, längsgeschlitzten Ring an die Stromquelle angeschlossen. Schließlich kann mit Vorteil eine äußere Armierung der beiden Körper mit einem Mantel hoher mechanischer Festigkeit vorgesehen sein.

Nachstehend sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

Fi g. 1 die Ansicht eines Axialschnittes längs der Linie I-I in F i g. 2 durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

F i g. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig.l,

F i g. 3 die Ansicht eines Axialschnittes durch die Vorrichtung nach F i g. 1 und 2, versehen mit einer zylindrischen Armierung,

F i g. 4 ein Schema zur Erläuterung der Verminderung des Skineffektes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 5 die Ansicht eines Axialschnittes durch eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 und 2 besteht im wesentlichen aus zwei gleichen (oder wenigstens bezüglich eines Punktes zueinander symmetrischen) Körpern 1 und 2 aus elektrisch leitendem Material, z. B. Kupfer. Die beiden Körper 1, 2 sind jeweils aus längs der Achse hohlen Kreiszylindern hergestellt, die mit mehreren zylindrischen Einschnitten versehen werden. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, haben diese Einschnitte im Querschnitt im wesentlichen die Form von Spiralsegmenten. Sie bilden durch Isolierschichten 3,4,5, 6 voneinander getrennte Lamellen 7 und 8. Die Isolierschichten sind durch ein in die Einschnitte eingelegtes festes, elektrisch isolierendes Material 9 gebildet.

Die Körper 1 und 2 sind auf eine elektrisch leitende Hülse 10 aufgebracht, die bei 10 α zur Vermeidung der Feldverdrängungseffekte längsgeschlitzt ist. Sie sind derart angeordnet, daß die spiralförmigen Einschnitte und Lamellen des einen Körpers gegensinnig zu denen des anderen Körpers verlaufen.

In F i g. 2 sind einige der Einschnitte 11, 12, 13 und 14 des Körpers 2 gestrichelt dargestellt, die beispielsweise die Lamellen 15 und 16 bilden.

Zwischen den Körpern 1 und 2 ist eine Blende 17 vorgesehen, die ebenfalls aus elektrisch isolierendem Material besteht. Außen um die Körper 1 und 2 herum sind zwei Ringe 18 und 19 angebracht, die jeweils mit einer Ringschulter 20 bzw. 21 versehen sind.

Schließt man die beiden Schultern 20 und 21 an eine Stromquelle 34 an, so fließt durch die Lamellen der beiden über die zylindrische Hülse 10 hintereinandergeschalteten Körper 1 und 2 ein Strom. In F i g. 1 ist die Richtung dieses Stromes durch die La-Lamellen 8 und 15 unter Berücksichtigung der in dieser Figur angegebenen Polarität mit 22 und 23 angegeben. In gleicher Weise ist in F i g. 2 durch Pfeile der Strompfad beispielsweise durch die Lamelle 7, durch die Hülse 10 sowie (gestrichelt) durch die zu dem Körper 2 gehörige anschließende Lamelle 24 gezeigt. Dieser Strom folgt ebenso wie der, der durch die anderen Lamellen fließt, etwa der Mittellinie dieser Lamellen.

Der Strom wird der erfindungsgemäßen Spulenanordnung über die äußeren Ringe 18 und 19 zu- bzw. abgeführt. Um die Feldverdrängungs-Effekte zu vermeiden, versieht man die Ringe 18 und 19 vorzugsweise mit Längsschlitzen (wie bei 18a in Fig. 2 zu sehen), wobei die Gesamtzahl der Windungen eine ganze Zahl sein soll, was einer ganzen Zahl von Halbwindungen pro Lamelle entspricht.

Die Längsschlitze 18 a sind nicht unbedingt erforderlich. Sind sie nicht vorgesehen, dann kann die Anzahl von Halbwindungen pro Lamelle nicht ganzzahlig sein, was bezüglich der Impedanzanpassung interessant sein kann. Ist der Längsschlitz 18 a nicht

ίο vorgesehen, d. h. der Ring 18 ununterbrochen, dann muß jedoch damit gerechnet werden, daß der Ring 18 der Erzeugung eines Feldes in der Mitte der Lamellenanordnung entgegenwirkt. Die Unterbrechung des Ringes 18 durch den Längsschlitz 18 α vermeidet dies. Ist jedoch in diesem Fall die Anzahl von Halbwindungen pro Lamelle nicht ganzzahlig, dann tritt der Strom bezüglich einiger Lamellen in die Lamellenanordnung auf derselben Seite des Längsschlitzes 18 α ein, auf welcher er auch austritt, während bezüg-Hch anderer Lamellen der Strom auf einer Seite vom Schlitz 18 α eintritt und auf der anderen austritt. Daraus folgt eine bestimmte Unregelmäßigkeit in der Verteilung der Ströme und der Felder. Durch die Wahl einer ganzzahligen Anzahl von Halbwindungen pro Lamelle ist diese Unregelmäßigkeit vermieden. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Hinsichtlich ihrer magnetischen Wirkungen kann man sich die Ströme in jeder Lamelle als in eine radiale und in eine azimutale Komponente zerlegt denken. Die radialen Komponenten erzeugen in der Zone zwischen den Körpern 1 und 2 ein azimutales Magnetfeld mit vernachlässigbarer Selbstinduktion dann, wenn sich die Lamellen über einen hinreichend großen Teil des Umfangs, beispielsweise über mindestens ein Drittel oder die Hälfte, erstrecken. Die azimutalen Komponenten erzeugen ein im wesentlichen axiales Magnetfeld, das in F i g. 1 durch die magnetischen Feldlinien 35 dargestellt ist. Dieses Feld kann sehr hoch sein und mehrere 100 Kilogauss in Zeitspannen in der Größenordnung von 100 Mikrosekunden bis zu einer Sekunde bei Impulsströmen in der Größenordnung von 1 bis 10 Megaampers erreichen, wobei der gesamte Widerstand der Spulenanordnung leicht in der Größenordnung von nur einigen Mikroohm und die Induktivität in der Größenordnung von Mikrohenry liegt.

Ein derartiges Feld kann auf Medien oder Gegenstände von verhältnismäßig großen Ausmaßen zur Einwirkung gebracht werden, die in den Innenraum 36 der Spulenanordnung eingebracht sind, dessen Innendurchmesser beispielsweise 10 bis 15 cm beträgt. Damit lassen sich die in diesen Medien oder Gegenständen hervorgerufenen Effekte studieren oder Teilchen beschleunigen oder hohe Temperaturen oder Plasmen erzeugen, wobei der Innenraum 36 eine einfache Teilstrecke einer geschlossenen ringförmigen Bahn darstellen kann.

Als Impulsquelle 34 sehr hoher Stromstärke kann man vorteilhafterweise eine Vorrichtung verwenden, wie sie eingangs beschrieben ist (deutsche Patentschrift 1 301 855).

Diese Spulenanordnung ist mechanisch sehr widerstandsfähig, kann jedoch gemäß F i g. 3 einen aus zwei Zylindern 25 und 26 bestehenden Mantel zur äußeren Armierung und weiteren Verstärkung aufweisen. Die Zylinder können beispielsweise aus Stahl von hoher mechanischer Festigkeit bestehen. Sie halten den bereits beschriebenen Spulenaufbau, welcher

in F i g. 3 nicht im Detail gezeigt ist, insbesondere das Kupfer und den Isolierstoff, gleichmäßig unter Druck, was sich auf ein gutes mechanisches Verhalten der Spulenanordnung vorteilhaft auswirkt. Nur die durch die Schultern 20 und 21 gebildeten Anschlußklemmen sind einer mechanischen Deformation unterworfen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Spulenanordnung besteht darin, daß eine sehr schwache Impedanz verwirklicht werden kann. Sofern sich die Lamellen über weniger als einen Halbkreis erstrekken, ist die Anordnung in der Wirkung einer Spule gleichwertig, deren Windungszahl kleiner als 1 ist. Infolgedessen wählt man die Länge der Lamellen mit Rücksicht darauf aus, daß die maximale Impedanz nicht überschritten wird.

Wie aus F i g. 4 hervorgeht, ist die Erfindung weiterhin hinsichtlich einer Verringerung des Skineffektes vorteilhaft. Wie erwähnt, weist die innere Hülse 10 bei 10 α einen Längsschlitz auf, um den Feldverdrängungs-Effekt zu vermeiden. Der besseren Übersicht wegen ist in F i g. 4 jede Lamelle sowie der hindurchfließende Strom durch zwei parallele benachbarte Linien dargestellt und der Aufbau nach F i g. 2 mit nur zwei konzentrischen Kreisen vereinfacht wiedergegeben. Erzeugt das Magnetfeld Ströme, die zwischen den Lamellen vagabundieren und geeignet sind, Skineffekte hervorzurufen, so können diese nur längs einer Achterschleife fließen, wie sie beispielsweise in Fig. 4 durch die Buchstaben A BCD EF dargestellt ist. Dieser schleifenförmige Pfad führt über zwei Gruppen von Lamellen 27, 28 und 29, 30, die jeweils zu den Körpern 1 und 2 gehören (man kann dabei von der Betrachtung ausgehen, daß die verschiedenen Lamellen einen Kreis bilden, der sich über die äußeren Anschlußklemmen für die Stromversorgung schließt).

Bezüglich der axialen, radialen und azimuthalen Komponenten des Magnetfeldes ergibt sich folgendes.

Das axiale Magnetfeld im Innern der einzelnen Lamellen der Anordnung nimmt von der Achse nach außen hin allmählich ab, und die Feldverteilung ist rotationssymmetrisch. Der die Achterschleife ABCDEF durchsetzende gesamte Magnetfluß und damit die darin erzeugte elektromotorische Kraft sind also gleich null, unabhängig von den augenblicklichen Änderungen des Magnetfeldes. Zwischen den verschiedenen Lamellen kann sich also kein Stromfluß ausbilden, und der Skineffekt ist auf das Maß beschränkt, in dem er bei der Dicke der einzelnen getrennten Lamellen auftreten kann. Bei Verwendung einer ausreichend großen Zahl von Lamellen (in der Praxis verwendet man wenigstens 4, vorzugsweise jedoch 6, 8 und mehr, wobei auch Konstruktionen mit 100 oder mehr Lamellen häufig anzutreffen sind), wird der Skineffekt vernachlässigbar.

Der durch die radiale Komponente des Magnetfeldes hervorgerufene Skineffekt ist in seiner Stärke vergleichsweise vernachlässigbar, wenn jeder Körper 1 bzw. 2 ausreichend lang ist, die Länge beispielsweise mindestens in der Größenordnung des mittleren Durchmessers liegt. Gegebenenfalls kann man auch die Spule in mehrere stirnseitig axial nebeneinander gesetzte Spulen aufteilen.

Die der Linie A BCD EF folgenden Ströme erzeugen ein azimutales Magnetfeld bzw. eine azimutale Komponente, das bzw. die den Feldverdrängungs-Effekten durch die leitenden Lamellen unterworfen sein und die Verteilung des Magnetfeldes in diesen Leitern verändern kann. Erstrecken sich die Lamellen, wie oben erwähnt, über einen ausreichend großen Teil des Umfangs, beispielsweise über mindestens ein Drittel bis die Hälfte, dann sind diese Effekte vernachlässigbar.

Sämtliche durch die Veränderungen des Magnetfeldes hervorgerufenen vagabundierenden Ströme können also gegenüber den dieses Feld erzeugenden Primärströmen leicht vernachlässigbar gemacht werden.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 3. Diese Ausführungsform kann dort mit Vorteil verwendet werden, wo sehr starke Felder erhebliche Ströme benötigen. Die die Körper 1 und 2 verbindende innere Hülse 10 gemäß F i g. 1 ist durch eine Hülse 31 ersetzt, welche die lamellierten Körper 1 und 2 umschließt. Die Stromzuführung erfolgt dabei im Innern mittels zweier zylindrischer Ringe 32 und 33. Die Anordnung ist mit einem für die Montage zweiteiligen zylindrischen Mantel 37 armiert, aus dem die Hülsen 32 und 33 vorstehen.

Bei dieser Ausführungsform sind die mechanischen Deformationen der beiden Stromanschlüsse nach außen hin vernachlässigbar gering. Durch eine mit Pfeilen versehene Linie ist der grundsätzliche Stromverlauf durch die Körper 1 und 2 hindurch in F i g. 5 dargestellt. Für schwächere Magnetfelder ist jedoch die in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Konstruktion wegen der einfacheren, benachbarten Anordnung der Stromanschlüsse bevorzugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines starken, impulsartigen Magnetfeldes relativ großer Ausdehnung, bestehend aus einer bandförmig aus elektrisch leitendem Material unter Zwischenlage von Isoliermaterial gewundenen Spule, welche an eine Stromimpulse bis zu über 10⁶ Ampere liefernde Starkstromimpulsquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung aus zwei in ihrer Grundform hohlzylindrischen Körpern (1, 2) aus elektrisch leitendem Material besteht, von denen jeder durch mindestens eine zylindrische Isolierschicht (3, 4, 5, 6) in spiralförmiger Anordnung in Lamellen (7, 8) aufgeteilt ist und welche unter Zwischenfügung einer isolierenden Blende (17) so axial aneinander gesetzt sind, daß die Lamellen gegensinnig verlaufen, wobei die Körper (1, 2) über ihre innere oder äußere Mantelfläche hintereinandergeschaltet und über ihre äußere bzw. innere Mantelfläche an die Starkstromimpulsquelle (34) angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Körper (1, 2) durch eine elektrisch leitende, längsgeschlitzte Hülse (10 bzw. 31) hintereinandergeschaltet sind, die sich axial über die gesamte Länge der beiden die Isolierblende (17) einschließenden Körper (1, 2) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (1, 2) über je einen elektrisch leitenden, längsgeschlitzten Ring (18 bzw. 19; 32 bzw. 33) an die Stromquelle (34) angeschlossen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine äußere Armierung der beiden Körper (1, 2) mit einem Mantel (25, 26 bzw. 37) hoher mechanischer Festigkeit.