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Wechs elstrommagnet Die Erfindung betrifft einen Wechselstrommagneten
insbesondere mit einem Luftspalt für die Erzeugung eines Führungsfeldes für einen
Teilchenbeschleuniger und bezieht sich auf das Problem, die Symmetrie des magnetischen
Führungsfeldes zu erhöhen.
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Es ist bekannt, daß das magnetische Führungsfeld von Teilchenbeschleunigern,
beispielsweise von Betatrons oder Synchrotrons, ungewöhnlich scharfen Bedingungen
hinsichtlich der Rotationssymmetrie und der Symmetrie zur Mittelebene genügen muß,
damit nicht Schwingungen der Teilchenbahnen angefacht werden, die die Teilchenflußdichte
in der Beschleunigungsröhre herabsetzen. Wenn man den magnetischen Widerstand im
Eisen eines Wechselstrommagneten, der das Führungsfeld erzeugt, vernachmassigen
könnte, so wären die Polflächen des Magneten Äquipotentialflächen des Magnetfeldes
und es würde genügen, die Magnetpole genau rotationssymmetrisch zur Mittelebene
zu zentrieren. Es hat sich gezeigt, daß diese Maßnahmen bei Teilchenbeschleunigern
nicht ausreichen. Besonders bei der kompakten
Bauweise moderner
Teilchenbeschleuniger mit ihren hohen magnetischen Flußdichten erreicht der magnetische
Spannungsabfall im Eisen des Magneten die Größenordnung von mehreren Prozent der
magnetischen Spannung am-Lufotspalt zwischen den Polen.
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Es ergibt sich daher das Problem, die Anforderungen an die Symmetrie
des Magnetfeldes im Luftspalt mit einer um ein oder zwei Größenordnungen verminderten
Genauigkeit auch im Eisen des Wechselstrommagneten zu erfüllen.
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Zur Erhöhung der Symmetrie des Magnetfeldes ist es allgemein bekannt,
die Erregerwicklung des Wechselstrommagneten symmetrisch zum Luftspalt anzuordnen
und die die Pole miteinander verbindenden Eisenwege symmetrisch zu den Magnetpolen
auszubilden. Durch die deutsche Patentschrift 825 290 ist es außerdem bekannt,mittels
einer entsprechenden Bemessung der Querschnitte verschiedener parallelgeschalteter
Eisenege dafür zu sorgen, daß in diesen bei Sättigung gleiche magnetische Spannungsabfälle
entstehen, Wie sich gezeigt hat, erreichen diese Maßnahmen ihren Zweck allerdings
nur unter der Voraussetzung, daß die verwendeten magnetischen Werkstoffe in ausreichender
Näherung homogen sind0 Dies kann aber bei der industriellen Fertigung nicht vorausgesetzt
werden.
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Die Nagnetisierungskennlinien weichmagnetischer Werkstoffe hängen
von der Kristallstruktur, den Fehlstellen im Metall, sowie der thermischen und mechanischen
Vorgeschichte ab. Die hochgezüchteten Werkstoffe hoher Permeabilität, die heutzutage
für die Elektromagnete von Beschleunigern verwendet werden, zeigen diese Empfindlichkeiten
sogar besonders stark. Man kann daher nicht damit rechnen, daß die an Probe streifen
gemessenen und von den Herstellern angegebenen magnetischen Kenndaten auch bei größeren
Blechen, etwa im Format des Jochs eines solchen Elektromagneten nach dem Stanzen
der Bleche und dem Zusammenspannung der Magnetbleche noch maßgebend sind. Es ist
vielmehr
bekannt, daß die Feldstärke in der Nähe von Stanzkanten und in Zonen mit mechanischen
Spannungen oder gestörten fristallstrukturen bei maximaler Flußdichte etwa doppelt
so hoch sein kann wie im ungestörten Material. Außerdem werden die zwangsläufig
im Eisenkern induzierten Wirbelströme durch örtliche Schwankungen der Leitfähigkeit
der Magnetbleche und durch fehlerhafte Stellen in den Isolationsschichten zwischen
den Magnetblechen unsymmetrisch verteilt und erzeugen ihrerseits wieder weitere,
gegenüber dem Hauptfeld nach Betrag und Phase unterschiedliche magnetische Störfelder.
Die Folge davon ist, daß die erwünschte Verteilung des Magnetflusses im Eisenkern
in unkontrollierbarer Weise gestört wird. Diese Störungen machen sich als mmetTiefehler
im Führungsfeld von Teilchenbeschleunigern bemerkbar und beeinträchtigen deren Strahlungsleistung.
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Es ist vorgeschlagen worden, Symmetriefehler im Führungsfeld eines
Teilchenbeschleunigers durch unsymmetrisch am Rand des Feldes angebrachte Eisenstückohen
zu korrigieren. Es hat sich jedoch gezeigt, daß man auf diese Weise die räumliche
Verteilung eines Störfeldes so unvollkommen nachgebildet, daß die Symmetriefehler
damit zwar verändert, praktisch aber nicht verkleinert, werden, wenn man nicht ein
langwieriges Probieren mit einer Vielzahl von Metallstückchen in Kauf nimmt.
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Diese Methode eignet sich aber nicht für eine serfenmäßige Fertigung
von Teilchenbeschleunigerne Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese materialbedingten
Störungen der Symmetrie des Führungsfeldes von Teilchenbeschleunigern durch Maßnahmen
zu eliminieren, die mit einer serienmäßigen Fertigung vereinbar sind. Bei einem
Wechselstrommagneten der eingangs genannten Art sind daher erfindungsgemäß zur Erhöhung
der Symmetrie des magnetischen Feldes hinsichtlich Betrag und Phase zusätzlich zu
den Erregerwicklungen
Windungen kurzgeschlossener Wicklungen dergestalt
angeordnet, daß in ihnen nur bei Abweichungen von der angestrebten magnetischen
Feldverteilung ein von Null verschiedener Strom induziert wird, dessen Magnetfeld
zur symmetrischen Ausbildung der magnetischen Feldabweichung herangezogen ist. Die
in den kurzgeschlossenen Wicklungen induzierten Ströme schwächen mit ihrem jeweiligen
dem Störfeld entgegengerichteten eigenen Magnetfeld das Störfeld. Das Magnetfeld
des induzierten Stromes ist bei entsprechender Anordnung der Windungen der kurzgeschlossenen
Wicklungen symmetrisch ausgebildet. Wird der ohm'suche Widerstand der kurzgeschlossenen
Wicklungen genügend klein gehalten, so wird der Teil der Feldenergie des Störfeldes,
der in Wårme umgewandelt wird, vernachlässigbar.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können zur Erzwingung
einer vorgegebenen symmetrischen Verteilung des gesamten magnetischen Flusses auf
verschiedene einander parallelgeschaltete Eisenwege, jeder dieser Eisenwege von
mindestens einer Windung einer kurzgeschlossenen Wicklung umschlossen sein und die
einem Eisenweg zugeordneten Windungen den den parallelen Eisenwegen zugeordneten
Windungen, bezogen auf die angestrebte Magnetflußrichtung, parallelgeschaltet sein.
Auf diese Weise heben sich die im Fall der angestrebten Feldverteilung in den parallelgeschalteten
Wicklungen induzierten elektromagnetischen Kräften (EMK's) gegeneinander auf. Bei
Abweichungen von der geforderten Feldverteilung ist dies jedoch nicht mehr der Fall
und es fließt in den kurzgeschlossenen Wicklungen ein Strom, dessen Magnetfeld dem
Störfeld entgegengerichtet ist.
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Da der Strom in allen Windungen dieser kurzgeschlossenen Wicklung
fließt, schwächt er in den vom Störfeld durchströmten Windungen das-Störfeld und
baut in den übrigen Windungen ein dem verbleibenden Störfeld entsprechendes Magnetfeld
auf.
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Durch diese Verkopplung der einander parallelgeschalteten Eisenwege
wird das Störfeld symmetrisch auf diese Eisenwege verteilt.
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Die Konstanz des magnetischen Flusses entlang eines einzigen Eisenweges
kann erhöht werden, wenn in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die
die Pole des Luftspalts miteinander verbindenden Eisenwege jeweils an weit auseinanderliegenden,symmetrisch
zum Luftspalt angeordneten Stellen von Windungen einer kurzgeschlossenen Wicklung
umschlossen sind, die den an anderen Stellen desselben Eisenweges angeordneten Windungen
derselben Wicklung parallelgeschaltet sind. Hierdurch werden Streufelder, die unterschiedliche
magnetische Flüsse durch die beiden Enden desselben Eisenweges zur Folge haben würden,durch
das Feld des Kurzschlußstromes abgeschwächt und zugleich in den parallelgeschalteten
Windungen zusätzliche Magnetfelder aufgebaut, so daß die magnetischen Flüsse, die
durch die von der kurzgeschlossenen Wicklung umschlossenen Querschnitte des Eisenweges
fließen,gleich sind. Da die magnetische Flußrichtung in einem solchen Eisenweg stets
die gleiche ist,werden die in den an verschiedenen Stellen entlang eines Eisenweges
angeordneten Windungen induzierten Spannungen nur durch Parallelschalten eben dieser
Windungen gegeneinander geschaltet.
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In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung können jeweils zwei durch
mindestens eine Bohrung im Eisenkern hindurchgeführte, die jeweils andere Querschnittshälfte
desselben Eisenweges umschliessende. Windungen einer kurzgeschlossenen Wicklung
untereinander, bezogen auf die angestrebte Magnetflußrichtung,parallelgeschaltet
sein.Hierdurch ist es möglich,die Flußdichte innerhalb des Eisenquerschnitts im
Sinne einer größeren Symmetrie zu beeinflussen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der magnetischen Flußdichte
innerhalb des Eisenkerns ergibt sich, wenn in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
eine durch Bohrungen im Eisen kern hindurchgeführte und mit ihrer Wickelachse senkrecht
zu den magnetischen Kraftlinien in der angestrebten Flußrichtung orientierte kurzgeschlossene
Windung verwendet wird. Alle von der angestrebten Flußrichtung abweichenden, die
kurzgeschlossene Windung durchsetzenden magnetischen Flüsse induzieren in der
kurzgeschlossenen
Windung Ströme, deren magnetische Felder bei vernachlässigbarem ohm'schen Widerstand
diese magnetische Flüsse aus der kurzgeschlossenen Windung verdrängen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Es zeigen: Fig. 1
einen Wechselstrommagneten mit einem zweischenkeligen Joch, bei dem die magnetischen
Flüsse, die durch die beiden einander parallelgeschalteten Schenkel fließen, durch
kurzgeschlossene Wicklungen in ein bestimmtes Verhältnis zueinander gesetzt sind.
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Fig. 2 einen Wechselstrommagneten mit einem zweischenkeligen Joch,
bei dem Ger magnetische Fluß über die gesamte Länge jedes der beiden einander parallelgeschalteten
Eisenwege hinweg durch kurzgeschlossene Wicklungen konstant gehalten ist, Fig. 3
einen Wechselstrommagneten mit einem zweischenkeligen Joch, bei dem die magnetische
Flußdichte innerhalb der Schenkel- bzw. Jochteilquerschnitte durch jeweils eine
kurzgeschlossene Wicklung beeinflußt ist0 Fig. 4 eine Darstellung des Verlaufs der
magnetischen Kraftlinien im Bereich des Übergangs von einem Joch zum anschließenden
Magnetpol ohne kurzgeschlossene Windung und Fig. 5 eine Darstellung des Verlaufs
der magnetischen Kraftlinien im Bereich der Darstellung der Fig. 4 bei Vorhandensein
einer kurzgeschlossenen Windung.
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In der Fig. 1 erkennt man einen Wechselstrommagneten 1, wie er bei
Betatrons verwendet wird, bei dem symmetrisch zum Luftspalt 2 zwischen den beiden
zylindersymmetrischen Magnetpolen 3, 4 zwei Erregerwicklungen 5, 6 angeordnet sind
und bei dem der magnetische Fluß über die Joche-7, 8 durch zwei einander parallelgeschaltete,
zueinander symmetrische Schenkel 9, 10 geleitet wird. Unmittelbar neben der Ubergangsstelle
der beiden Magnetpole 3, 4 zu den Jochen 7, 8 sind symmetrisch beidseitig der Ubergangsstelle
um beide Joche Windungen 11, 12 und 13, 14 je einer kurzgeschlossenen Wicklung herumgeführt.
Diese beidseitig der Ubergangsstelle ein und desselben Jochs vorgesehenen Windungen
einer kurzgeschlossenen Wicklung sind bezogen auf die angestrebte Magnetflußrichtung
parallelgeschaltet.
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Sind bei einem solchen Wechselstrommagneten die magnetischen Flüsse
durch voneinander abweichende magnetische Eigenschaften der Magnetbleche oder durch
voneinander abweichende Wirbelstromeinflüsse, wie sie z0B. durch Isolationsfehler
zwischen den geschichteten Nagnetblechen entstehen können, in den beiden einander
parallelgeschalteten Eisenwegen nach Betrag und/oder Phase unterschiedlich groß,
so werden durch sie in den kurzgeschlossenen Wicklungen 11, 12, 13, 14 eines jeden
Jochs 7, 8 unterschiedlich große und/oder phasenverschobene EMK's induziert. Der
hieraus resultierende elektrische Strom in den kurzgeschlossenen Wicklungen, der
der Differenz der magnetischen Flüsse proportirnal ist, erzeugt, bei vernachlessigbarem
ohml schen Widerstand, ein nach Betrag und Phase der Differenz der beiden magnetischen
Flüsse durch die einander parallelgeschalteten Eisenwege proportionales magnetisches
Feld. Dieses Feld gleicht, da die Windungen jeder der beiden kurzgeschlossenen Wicklungen
beide lisenwege umschlingen, die beiden Flüsse durch die einander parallelgeschalteten
Eisenwege hinsichtlich Betrag und Phase aneinander an. Im Interesse eines möglichst
vollständigen
Ausgleichs der magnetischen Flüsse ist ein möglichst
gersnger Innenwiderstand der kurzgeschlossenen Wicklungen anzustreben.
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Die Fig. 2 zeigt am Ausführungsbeispiel des Wechselstrommagneten 1
der Fig0 1 eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der zur Konstanthaltung
des magnetischen Flusses über die Länge eines Eisenweges hinweg Windungen 15, 16,
17 bzw. 18, 19, 20 einer kurzgeschlossenen Wicklung symmetrisch zur Ebene des Luftspaltes
2 angeordnet und untereinander durch Parallelschaltung kurzgeschlossen sind. Weicht
der magnetische Fluß an den beiden Enden ein und desselben Eisenweges, z.B. infolge
eines mit 21 bezeichneten magnetischen Streufeldes voneinander ab,so sind wiederum
die in den parallelgeschalteten Windungen 15, 16, 17 bzw. 18, 19, 20 dieses Eisenweges
induzierten EMK's voneinander verschieden0 In diesem Fall wird ein elektrischer
Strom durch die kurzgeschlossene Wicklung fließen, der eine Angleichung der magnetischen
Flüsse in den von den Windungen umschlossenen Querschnitten dieses Eisenweges bewirkt.
Auf diese Weise werden zwar keine Streufelder vermieden, es wird jedoch erreicht,
daß die Streufelder so weit symmetrisch ausgebildet werden, daß an den beiden, den
Polen 3, 4 zugewandten Enden desselben Eisenweges gleich große magnetische Flüsse
die Windungen durchsetzen. Werden nicht nur, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt,
drei, sondern hinreichend viele solcher parallelgeschalteter Windungen verwendet,
so läßt sich auf diese Weise sogar eine vollständige Abschirmung gegen Streufelder
erreichen.
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Die Fig. 3 schließlich zeigt wiederum am Ausführungsbeispiel des Wechselstrommagneten
1 der Fig. 1 und 2 eine Auführungsform der Erfindung, bei der Windungen 22, 23,
24, 25 von kurzgeschlossenen Wicklungen durch Löcher für die Spannbolzen 26, 27
28, 29, mit denen die Kernbleche zusammengepreßt werden, gefriert sind. Hierbei
sind die Spannbolzen selber als elektrische
Leiter verwendet.
In der Ebene des Luftspaltes 2 sind in zwei einander parallelgeschalteten Schenkeln
9, 10 je zwei benachbarte Spannbolzen 26, 27, 28 Bestandteil je einer von zwei Windungen
22, 23 bzw. 24, 25, von denen jeweils die eine außen herum und die andere um denselben
Schenkel innen herum geführt sind. Die beiden Windungen sind wegen des sie gleichsinnig
durchsetzenden magnetischen Flusses parallelgeschaltet und scmit kurzgeschlossen0
Durch diese beiden untereinander kurzgeschlossenen Windungspaare wird, sofern sie
gleiche Windungszahlen aufweisen, in der bereits geschilderten Weise ein Magnetfluß
erzwungen, der beide Windungen in gleicher Stärke durchsetzt. Dadurch wird innerhalb
des Querschnitts des jeweiligen Schenkels 9, 10 eine gleichmäßigere Kraftflußdichte
erreicht.
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In den beiden Jochen 7, 8 der Fig. 3 sind außerdem beidseitig der
Stelle, an der die beiden Pole 3, 4 am jeweilIgen Joch anliegen, je drei Spannbolzen
30 bis 41 elektrisch parallelgeschaltet und bilden auf diese Weise kurzgeschlossene
Wicklungen mit je einer einzigen Windung 42, 43, 44, 45. Uber eine außen um das
jeweilige Joch herumgeführte weitere elektrische Windung 46, 47, 48, 49 sind sie
außerdem über Kreuz miteinander elektrisch verbunden.
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Diese Ubergangsstelle zwischen einem Magnetpol 4 und einem anschließenden
Jochabschnitt 8 ist in den Fig. 4 und )t vergrössert dargestellt. Dabei unterscheidet
sich die Fig. 5 von der Fig. 4 dadurch, daß in der Fig. 5 die Spannbolzen 39, 40
an beiden Enden miteinander leitend verbunden sind und somit eine kurzgeschlossene
Wicklung mit einer einzigen Windung 45 darstellen. Wie aus den eingezeichneten magnetischen
Kraftlinien und den gestrichelt eingetragenen zugehörigen Äquipotentialflächen zu
erkennenist, wird der die Fläche der kurzgeschlossenen Wicklung normalerweise durchsetzende
magnetische Kraftfluß durch den dabei induzierten Kurzschlußstrom und dessen
Magnetfeld
aus der kurzgeschlossenen Wicklung verdrängt. Durch die außen um das jeweilige Joch
7, 8 (Fig. 3) herumgeführten elektrischen Windungen 46, 47, 48, 49 wird zugleich
in ähnlicher Weise wie dies anhand. der Fig. 1 erläutert wurde, auch eine Angleichung
der magnetischen Flüsse auf beiden Seiten eines jeden der beiden Joche 7, 8 erreicht.
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Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten verschiedenen Arten von
kurzgeschlossenen Wicklungen können gleichzeitig an ein und demselben Wechselstrommagneten
1 angebracht sein. In diesem Fall würde ein besonders gleichmäßiges magnetisches
Führungsfeld erzeugt werden0 Werden in den obigen Ausführungsbeispielen kurzgeschlossene
Wicklungen verwendet, die verschiedene magnetische Flüsse mit unterschiedlichen
Windungszahlen umschließen, so können auch magnetische Flüsse mit einer in umgekehrtem
Verhältnis zu den Windungszahlen stehenden Größe erzwungen werden. Bei Wechselstrommagneten,
die mit pulsierendem Gleichstrom gespeist werden, gilt das Gesagte auch für die
Wechselfeldkomponente des Gleichstroms0