DE2251854C3

DE2251854C3 - Disc-shaped solenoid

Info

Publication number: DE2251854C3
Application number: DE19722251854
Authority: DE
Inventors: Günther Dr. Grieger; Gerd Prof. Dr. 5170 Jülich Wolf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-10-23
Filing date: 1972-10-23
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE2251854B2; DE2251854A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine scheibenförmige Magnetspule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a disk-shaped magnetic coil according to the preamble of Claim 1.

Aus der DE-AS 1017 265, F i g. 5, sind Magnetspulen der obengenannten Art für stark gekühlte elektrische Maschinen bekannt Die Magnetspule besteht aus besonders profilierten blanken Fachleitern, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben und abwechselnd mit im Querschnitt quadratischen, leistenförmigen, isolierenden Abstandshaltern in der Nut derart übereinander geschichtet angeordnet sind, daß wenigstens zwischen den Breitseiten übereinanderliegender Leiter Hohlräume für den Durchtritt eines Kühlmittels verbleiben. Die im Querschnitt quadratischen Abstandshalter greifen leistenartig in eine in der Mitte der langen Seite der Leiter vorgesehene Nut ein. Zwischen den Leitern und der Nutwandung muß noch eine Abstützung vorgesehen sein, z. B. in Form einerFrom DE-AS 1017 265, F i g. 5, are solenoids of the above type known for strongly cooled electrical machines. The solenoid consists of specially profiled bare specialist ladders, which have an essentially rectangular cross-section and alternating with square, strip-shaped, insulating spacers in the groove are arranged layered one above the other that at least between the broad sides superimposed Head cavities remain for the passage of a coolant. The square in cross-section Spacers engage in a strip-like manner in a groove provided in the middle of the long side of the ladder. A support must still be provided between the ladders and the groove wall, e.g. B. in the form of a

ίο Nuthülse oder einzelner Formstücke; die leistenartigen Abstandshalter sind aufgrund ihrer Höhe und der verhältnismäßig geringen Festigkeit des Isoliermaterials auch nicht geeignet, eine gegenseitige Fixierung der übereinandergewickelten Windungen gegen hohe axiale Kräfte zu gewährleisten.ίο grooved sleeve or individual fittings; the ridge-like Spacers are due to their height and the relatively low strength of the insulating material also not suitable, a mutual fixation of the superimposed turns against high to ensure axial forces.

Aus der DE-AS 10 49 007 ist ferner eine aus axial nebeneinander angeordneten Scheibenspulen bestehende Magnetwicklung aus einem im Querschnitt rechtekkigen Leiter bekannt, der zur direkten Kühlung der Wicklung einen Kühlkanal enthält Maßnahmen .:ur axialen Fixierung der Leiterwindungen sind in dieser Veröffentlichung nicht erwähntFrom DE-AS 10 49 007 there is also an existing axially juxtaposed disc coils Magnet winding known from a conductor with a rectangular cross-section, which is used for direct cooling of the Winding a cooling channel contains measures.: Ur axial fixation of the conductor windings are in this Publication not mentioned

Aus der DE-PS 4 15 958 ist eine elektrische Spule aus Metallband oder Geflecht bekannt bei der die geometrische Gestalt des Bandquerschnitts eine Verschiebung der Lagen in Richtung der Spulenachse oder in Bandrichtung verhindert, so daß ein Selbsttragen der Spule erreicht wird. Hierzu können z. B. die beiden Bandränder etwas aufgebördelt sein oder der Bandquerschnitt kann die Form eines flachen Kreisbogens oder eines flachen W haben. Die Spule kann auf einem radial innen angeordneten Haltering sitzen. Die beschriebenen Querschnittsformen des bandförmigen Leiters ermöglichen zwar, selbsttragende Spulen zu wickeln, nicht jedoch große axiale Kräfte zu beherrschen. Die bekannte Spule ist auch nicht für die Verwendung mit einer sie radial umfassenden äußeren Stützstruktur bestimmt, die die entstehenden Kräfte abzufangen vermag.From DE-PS 4 15 958 an electrical coil made of metal tape or braid is known in which the geometric shape of the strip cross-section a shift of the layers in the direction of the reel axis or prevented in the direction of the tape, so that a self-supporting of the coil is achieved. For this purpose z. B. the two The edges of the tape can be slightly flared or the cross-section of the tape can be in the form of a flat circular arc or a flat W. The coil can sit on a retaining ring arranged radially on the inside. the Cross-sectional shapes of the strip-shaped conductor described allow self-supporting coils winding, but not mastering large axial forces. The well-known coil is not for that either Use with a radially surrounding outer support structure that determines the forces that arise able to intercept.

Magnetspulen, an die sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität gestellt werden müssen, sind z. B. die im wesentlichen scheibenförmigen, ein torusförmiges Entladungsgefäß umgebenden Hauptfeldspulen von plasmaphysikalischen Apparaturen, wie Stellarator- und Tokamakapparaturen. Diese Spulen haben im wesentlichen die Form einer Kreisscheibe oder eines sehr kurzen Kreiszylinders und liegen in Ebenen, die radial zu der Drehachse des Torus verlaufen. Das von ihnen erzeugte sogenannte Grund-Magnetic coils to which very high demands are made in terms of mechanical stability must, are z. B. the substantially disk-shaped main field coils surrounding a toroidal discharge vessel of plasma-physical apparatus, such as stellarator and tokamak apparatus. These coils essentially have the shape of a circular disk or a very short circular cylinder and are located in Planes that are radial to the axis of rotation of the torus. The so-called basic

V) magnetfeld verläuft in Richtung der Wulstachse des Torus. V) magnetic field runs in the direction of the bead axis of the torus.

Bei Ausfall einer Hauptfeldspule, ζ. Β. durch einen !Kurzschluß oder im Falle einer Supraleiterspule durch Übergang in den normalleitenden Zustand, treten in den benachbarten Hauptfeldspulen hohe axiale Kräfte auf, die die Leiter der Windungen aus der Spulenebene herauszudrücken streben. Die Windungen der Hauptfeldspule müssen daher mechanisch sehr gut abgestützt werden, um zu vermeiden, daß die Spulen und die Apparatur beim Auftreten solcher axialer Kräfte zerstört werden.If a main field coil fails, ζ. Β. by a short circuit or in the case of a superconducting coil Transition to the normally conducting state, high axial forces occur in the neighboring main field coils, which strive to push the conductors of the turns out of the plane of the coil. The turns of the main field coil must therefore be mechanically supported very well in order to avoid that the coils and the Apparatus are destroyed when such axial forces occur.

Bei Apparaturen der obengenannten Art ist man andererseits aber auch bestrebt, die Hauptfeldspulen möglichst nahe beieinander anzuordnen, um den für die Erzeugung des Grundmagnetfeldes zur Verfügung stehenden Spulenraum möglichst gut auszunutzen. Für die mechanische Halterung und Abstützung der Hauptfeldspulen steht daher nur wenig Platz zurIn the case of apparatus of the type mentioned above, on the other hand, efforts are also made to use the main field coils to be arranged as close to one another as possible in order to be available for the generation of the basic magnetic field to use the standing bobbin space as well as possible. For the mechanical support and support of the There is therefore only little space available for main field coils

Verfügung.Disposal.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine scheibenförmige Magnetspule mit mehreren in Radialrichtung übereinandergewickelten Windungen anzugeben, bei der die für die Beherrschung axialer Kräfte, wie sie bei Ausfall benachbarter Spulen auftreten, erforderliche mechanische Stützstruktur auf ein Minimum reduziert werden kann.The present invention is based on the object of a disk-shaped magnetic coil with specify several turns wound one on top of the other in the radial direction, in which the for control axial forces, as they occur when adjacent coils fail, required mechanical support structure can be reduced to a minimum.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer scheibenförmigen Magnetspule der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöstAccording to the invention, this object is achieved in the case of a disk-shaped magnetic coil as mentioned at the beginning Kind with the characterizing features of claim 1 solved

Die Spule wird so gewickelt, daß Nut und Rippe übereinandergewickelter Windungen ineinander eingreifen. Die einzelnen Windungen können sich daher nicht in Achsrichtung in bezug aufeinander verschieben und radiale Kräfte, die auf die Windungen einwirken, können auf diese "Weise zum äußeren Umfang der Spule übertragen und dort durch eine mechanische Stützstruktur abgefangen werden. Im Bereich der Spule selbst ist daher praktisch keine zusätzliche Stützstruktur erforderlich. The coil is wound in such a way that the groove and rib of turns that are wound on top of one another engage with one another. The individual turns can therefore not move in the axial direction with respect to one another and radial forces acting on the turns can in this way "move to the outer circumference of the spool." transferred and intercepted there by a mechanical support structure. In the area of the coil itself is therefore practically no additional support structure is required.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnetFurther refinements of the invention are characterized in the subclaims

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert; es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below explained; it shows

F i g. 1 einen Querschnitt durch den elektrischen Leiter der scheibenförmigen Magnetspule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, undF i g. 1 shows a cross section through the electrical conductor of the disk-shaped magnet coil according to one Embodiment of the invention, and

Fig.2 einen vereinfacht dargestellten Axialschnitt einer als Hauptfeldspule einer plasmaphysikalischer Apparatur vorgesehenen scheibenförmigen Magnetspule unter Verwendung eines Leiters der in F i g. 1 dargestellten Art2 shows a simplified axial section a disk-shaped magnetic coil provided as the main field coil of a plasma-physical apparatus using a conductor of the type shown in FIG. 1 shown in Art

Der in F i g. 1 dargestellte Querschnitt des elektrischen Leiters ist im wesentlichen rechteckig und hat zwei lange Seiten 10 und 12 sowie zwei kurze Seiten 14 und 16, die jeweils im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die lange Seite 10 ist mit einer in Längsrichtung des Leiters verlaufenden Rippe 18 versehen. In der entgegengesetzten langen Seite 12 befindet sich eine entsprechend geformte Nut 20. Der dargestellte Leiter enthält ferner einen im Querschnitt ellipsenförmigen Kühlkanal 22, der das Hindurchleiten eines Kühlmittels und damit eine direkte Kühlung des Leiters ermöglicht. Die lange Achse des elliptischen Querschnitts des Kühlkanals 22 verläuft im wesentlichen parallel zu den langen Seiten 10 und 12. Der Abstand der kurzen Seiten 14 und 16 kann z. B. 0,09 m betragen.The in F i g. 1 illustrated cross section of the electrical The conductor is substantially rectangular and has two long sides 10 and 12 and two short sides 14 and 16, each of which is substantially parallel to one another. The long side 10 has an in The longitudinal direction of the conductor extending rib 18 is provided. In the opposite long side 12 there is a correspondingly shaped groove 20. The conductor shown also includes one in cross section elliptical cooling channel 22, which allows the passage of a coolant and thus direct cooling of the Head allows. The long axis of the elliptical cross section of the cooling channel 22 runs essentially parallel to the long sides 10 and 12. The distance between the short sides 14 and 16 can, for. B. 0.09 m be.

Die Breite der Rippe 18 bzw. der Nut 20 beträgt etwa ein Drittel der Abmessung der langen Seiten 10 bzw. 12 des Leiterquerschnitts,The width of the rib 18 or the groove 20 is approximately one third of the dimension of the long sides 10 and 12, respectively the conductor cross-section,

Die Seitenflächen 24 bzw. 26 der Rippe 18 bzw, der Nut 20 verlaufen etwas keilförmig zueinander, um einen einwandfreien, festen Sitz der Rippen 18 in den Nuten 20 der jeweils benachbarten Windungen zu gewährleisten. Der Keilwinkel ist vorzugsweise so gewählt, daß die Resultierende der im Betrieb auftretenden magnetischen Kesselkraft und der beim Ausfall einer benachbarten Spule auftretenden axialen Kraft wenigstensThe side surfaces 24 and 26 of the rib 18 and the groove 20 run somewhat wedge-shaped to one another, around a to ensure perfect, tight fit of the ribs 18 in the grooves 20 of the respective adjacent turns. The wedge angle is preferably chosen so that the resultant of the magnetic occurring during operation Boiler force and the axial force that occurs when an adjacent coil fails

ίο annähernd senkrecht auf den auf Druck belasteten Seitenflächen 24 bzw. 26 steht Bei einer praktischen Ausführungsform betrug der Winkel zwischen den Seitenflächen 24 bzw. 26 und einer zu den langen Seiten 10 bzw. 12 senkrechten Ebene etwa 6°. Als »Kesselkraft« wird die radial nach außen gerichtete Kraft bezeichnet die das Magnetfeld einer Zylinderspule auf deren Windungen ausübtίο approximately perpendicular to the pressure loaded In a practical embodiment, the angle between the Side surfaces 24 and 26 and a plane perpendicular to the long sides 10 and 12, respectively, about 6 °. As a "boiler force" the force directed radially outwards is the name given to the magnetic field of a solenoid whose turns exerts

Die Höhe der Rippe 18 bzw. die Tiefe der Nut 20 können z. B. jeweils ein Fünftel der Abmessung einer kurzen Seite 14 bzw. 16 entsprechen.The height of the rib 18 or the depth of the groove 20 can, for. B. each a fifth of the size of a short side 14 and 16 respectively.

Fig.2 zeigt eine HauptfeldspLrf; einer Stellarator- oder Tokamak-Apparatur, die unter Virwendung eines Leiters der in F i g. 1 dargestellten Art gewickelt ist Die Leiterquerschnitte sind in F i g. 2 der Einfachheit halber rechteckig gezeichnet Die Rippen 18 und die Nuten 20 sind iiso nicht dargestellt. Der Innendurchmesser einer solchen Scheibenspule kann 1,10 m betragen.Fig. 2 shows a main field test; a stellarator or tokamak apparatus, which using a conductor of the in F i g. 1 is wound type shown The conductor cross-sections are in F i g. 2 drawn rectangular for the sake of simplicity, the ribs 18 and the grooves 20 are not shown iiso. The inside diameter of such a disc coil can be 1.10 m.

Da die einzelnen Windungen der Spule gemäß F i g. 2 in Radialrichtung ineinander verzahnt sind, ist eine axiale Verschiebung benachbarter Spulenwindungen in bezug aufeinander nicht möglich. Axiale Kräfte, die auf die scheibenförmige Spule gemäß 2 einwirken, können also durch eine den äußeren Spulenumfang umgebende Stützstruktur 28, die in Fig.2 nur schematisch dargestellt ist, sicher abgefangen werden. Zusätzliche mechanische Halterungsvorrichtungen innerhalb des von den Hauptfeldspulen eingenommenen Raumes sind nicht erforderlich.Since the individual turns of the coil according to FIG. 2 are interlocked in the radial direction is one axial displacement of adjacent coil windings with respect to one another is not possible. Axial forces acting on the disk-shaped coil according to FIG Support structure 28, which is only shown schematically in Figure 2, be safely intercepted. Additional mechanical holding devices are within the space occupied by the main field coils not mandatory.

Die ellipsenförmige Gestalt des Kühlkanal 22 erleichtert das Biegen des Leiters und, das Wickeln der SDule. Außerdem ist eine genügende Wandstärke des Leitermaterials um den Kühlkanal herum gewährleistet. Die erwähnten Abmessungsverhältnisse ermöglichen es auch, die einzelnen Scheibenspulen an dem im Inneren des Torus zu liegen kommenden Teil, wo die einzelnen Hauptfeldspulen aneinander angrenzen, abzuschrägen, wie es bei 30 in F i g. 2 dargestellt ist.The elliptical shape of the cooling channel 22 makes it easier to bend the conductor and to wind the SDule. In addition, a sufficient wall thickness of the Guaranteed conductor material around the cooling channel. The dimensional relationships mentioned make it possible also, the individual disc coils on the part that comes to lie inside the torus, where the individual Main field coils adjoin one another, beveled, as shown at 30 in FIG. 2 is shown.

Zwischen den einzelnen V/indungen der Spule ist selbstverständlich eine elektrische Isolation (nichtOf course, there is electrical insulation between the individual turns of the coil (not

dargestellt) vorgesehen, die z. B. aus einer mit gehärtetem Kunstharz getränkten Glasfasermatte bestehen kann.shown) provided, the z. B. consist of a fiberglass mat impregnated with hardened synthetic resin can.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Claims;

1. Disc-shaped magnetic coil made of an electrical conductor with an at least approximately rectangular cross-section with two parallel short sides and two parallel long sides, one of which which one long side has a groove, and in which several turns of the conductor with each facing long sides are wound one above the other in the radial direction, characterized in that that on the opposite long rope (10) of the conductor cross-section a rib (18) running in the longitudinal direction of the conductor is arranged, which fits into the groove (20) and which engages in each case in the winding wound over it.

2. Disc-shaped magnet coil according to claim 1, with a cooling channel running in the conductor, characterized in that the cooling channel (22) has an elliptical cross section, the long of which Axis is essentially parallel to the long sides (10,12).

3. Disc-shaped magnet coil according to claim 2, characterized in that the length of the long Axis of the elliptical cross section of the cooling channel (22) is about a third of the dimension of a long one Side (10 or 12) of the conductor cross section

4. Disc-shaped magnet coil according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Width of the groove (20) and the width of the rib (18) about a third of the dimension of a long side (lOoderl ^ st

5. Disc-shaped magnet coil according to one of the Claims 1 to 4, characterized in that the side surfaces (24) of the rib (* 8) and the side surfaces (26) of the groove (20) each run somewhat wedge-shaped to one another.

6. Disc-shaped magnet coil according to claim 5, characterized in that the wedge angle which the the side surfaces (24,26) of rib (18) and groove (20) containing planes are selected so that the Resulting from a magnetic force acting in the radial direction of the coil during operation and eir.iir in the event of failure of an adjacent coil, the axial force occurring vertically on the side surfaces (24, 26) of rib (18) and groove (20).

7. Disc-shaped magnet coil according to claim 5 or 6, characterized in that the side surfaces (24,26) each make an angle of about 6 degrees with one to the long sides (10, 12) of the Form conductor cross-section vertical plane.

8. Disc-shaped magnet coil according to one of claims 1 to 7, characterized in that a mat-shaped electrical insulation is provided between the individual turns.