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Dipol- oder MultipolmSgnet
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Die Erfindung betrifft einen Dipol- oder Multipolmagneten nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beim Bau von Teilchenbeschleunigerringen werden Dipolmagnete oder
allgemein Nultipolmagnete eingesetzt, deren supraleitende Spulen mit flüssigem Helium
gekühlt werden.
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Dabei werden höchste Anforderungen bezüglich der Gleichförmigkeit
und Konstanz des Magnetfeldes für alle Spulen im Bereich der Nutzapertur gestellt.
Dies setzt eine exakte Lage im Winkel und im Durchmesser der Spulen voraus, die
sich auch bei Abkühlung auf Tieftemperaturen nicht ändern darf. Ebenso muß bei der
Anfertigung der in großer Anzahl benötigten Spulen die Gleichform aller Spulen,
d. h.
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die Wiederholgenauigkeit in hohem Maße gewährleistet sein.
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Einen wesentlichen Anteil an der genauen Einhaltung der Spulenkonturen
hat der Spulenträger, da durch seine Stützkontur die Spule fixiert wird. An die
formbestimmenden Abmessungen des Spulenträgers im Bereich der Stützkontur werden
daher hohe Toleranzanforderungen gestellt, beispielsweise + 0,02 mm bzw. + 0,030.
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Aus der DES 20 47 780 ist es bekannt, bei Dipolmagneten für Teilchenbeschleunigerringen
als Hohlkörper ausgebildete Spulenträger aus faserverstärktem Kunststoff zu verwenden,
zu deren Herstellung mit Kunstharz getränkte Glasfasermatten auf einen Dorn gewickelt
und dort ausgehärtet werden. Nach dem Aushärten werden in den Mantel des Spulenträgers
durch spangebende Verformung in Achsrichtung verlaufende treppenförmige Nuten eingebracht,
welche die einzelnen Spulenpakete aufnehmen. Zur Aufnahme der an den
Spulen
wirkenden Feldkräfte werden dann als Armierung mit Kunstharz getränkte mehrschichtige
Glasfaserbündel um die Spulenpakete gewickelt und dort ausgehärtet.
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Der aus Glasfasermatßen und Kunstharz durch Aufwickeln auf einen Dorn
hergestellte Spulenträger hat den Vorteil, daß die Innenbohrung keiner Nachbearbeitung
bedarf und daß durch die Verwendung von glasfaserverstärkten Kunststoff als Werkstoff
die bei metallischen Spulenträgern auftretenden Wechselstromverluste entfallen.
Das Einbringen der für di.e Aufnahme der Spulenpakete bestimmten treppenförmigen
Nuten durch spangebende Verformung muß. jedoch als Nachteil angesehen werden, da
die bei der Bearben-tung freiwerdenden Stäube Menschen und Maschinen getShtden und
da bei einer derartigen mechanischen Bearbeituhg die geforderte hohe WLederholgenauigkeit
nur mit erhebiiche.m Aufwand realisiert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung der Spulenträger
so zu vereinfachen, daß die geforderten engen Toleranzen im Bereich der formbestimmenden
Stützkontur mit hoher Wiederholgenauigkeit und ohne wachs arbeit erreicht werden
können.
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Diese Aufgabe wird bei einem gatungsgemäßen Dipol- oder Multipolmagneten
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die geforderten engen
Toleranzen und eine absolute Wiederholgenauigkeit dann gewährleistet sind, wenn
die aus faserverstärktem Kunststoff-bestehenden Spulenträger durch plastische Formung
im Preßverfahren hergestellt werden.
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Dies wird durch eine geteilte Ausführung des Spulenträgers ermöglicht,
welcher aus zwei halbschalenförmigen Preßteile zusammengesetzt ist, wobei diese
Preßteile die Spule an ihrer Stützkontur ausgebildeten Innenkontur
aufnehmen
und durch Verspannen der Preßteile festlegen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Form für die Herstellung der halbschalenförmigen Preßteile nur einmal angefertigt
werden muß und daß die geforderten engen Doleranæen ohne Nacharbeit eingehalten
werden können. Eine mechanische Bearbeitung ist dabei lediglich für die Kanäle erforderlich,
die zur Heliumführung in den Spulenträger eingebracht werden, soweit diese Kanäle
nicht schon in die Form mit eingearbeitet sind.
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Um nur eine einzige Preßform für beide Preßteile anferteigen zu müssen,
sind nach einer weiteren Ausbildung der findung die beiden halbschalenförmigen Preßteile
formgleich.
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Besonders günstige Festigkeitseigenschaften des Spulenträgers ergeben
sich, wenn die halbschalenförmigen Preßteile aus einer Formpreßmasse hergestellt
sind, welche aug kunstharzhaltigen Faserbündeln besteht. Dabei wird eine aus epoxidharzhaltigen
Glasfaserbundeln bestehende Formpreßmasse bevorzugt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
im Bereich der Teilfuge des Spulenträgers jeweils eine Feder des einen halbschalenförmigen
Preßteils in eine Nut des anderen halbschalenförmigen Preßteils formschlüssig eingreift.
Hierdurch wird auf einfache Weise eine gegenseitige Ausrichtung der miteinander
zu verspannenden Preßteile erreicht.
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Das Verspannen der Spule in den beiden halbschalenförmigen Preßteilen
des Spulenträgers, der in seiner Länge in kurze Abschnitte unterteilt sein kann,
soll unter relativ hohem Preßdruck erfolgen, um die Spulen gegenüber nagne tischen
Kräften und thermischer Entlastung durch Dilatationsunterschiede sicher festzulegen.
Diese hohen Spann-
kräfte können nach einer ersten Aus£5hrungsSorm-t/u!
einfache Weise dadurch aufgebracht werden, daß die beiden halbschalenförmigen Preßteile
durch eine den Spulenträger rohrförmig umschließende Ummantelung aus faserverstärkten
Kunststoff verspannt sind. Die Ummantelung besteht dabei zweckmäßigerweise aus mit
Epoxidharz gebundenen Arandfasern oder aus mit Epoxidharz gebundenen Glas-fåsern.
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Außerdem können die Spannkräfte dadurch noch weiter gesteigert werden,
daß die Faserstränge des faserversterkten Kunststoffes der Ummantelung unter steigender
Zugspannung direkt auf den Spulenträger aufgewickelt werden.
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Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform werden die Spannkräfte
für das Verspannen der Spule dadurch erreicht, daß die beiden halbschalenförmigen
Preßteile durch ein den Spulenträger unmittelbar umschließendes Eisenjoch verspannt
sind. Das Eisenjoch dient also bei dieser Ausführungsform gleichzeitig als Verspannelement.
Das-an den Spulenträger formschlüssig herangeführte flsenjoch muß damit zwangsläufig
in den kalten Bereich mit einbezogen werden, sodaß sich auch eine einfachere Gestaltung
des Kryostaten ergibt, durch den keine magnetischen Kräfte mehr übertragen werden
müssen.
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Die Erfindung gibt auch ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung
des Spulenträgers eines Dipol- Oder Multipolmagneten an. Dabei ist vorgesehen, daß
die halb-schalenförmigen Preßteile unter Verwendung einer Formpreßmasse aus kunstharzhaltigen
Faserbündeln und unter Anwendung von Druck und Wärme in einer Preßform ihre endgültige
Kontur erhalten. Dabei bereitet es keine Schwierigkeiten, den relativ geringen Schrumpf
der Preßmasse von vornherein zu berücksichtigen. Sollten sich nach der Vermessung
des Feldes eines Prototypen Änderungen des Spulenträgers als notwendig erweisen,
so kann dies durch eine einmalige Korrektur der Preßform, d. h. durch eine einmalige
Nacharbeit erreicht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden naher beschrieben.
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Fig. 1 in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung die beiden
halbschalenfermigen Preßteile aus welchen der Spulenträger eines DipoRmagneten für
Teilchenbeschleunigerringe zusainrnengeszt, t; ist.
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Fig. 2 einen Querschritt durch einen Spulenträger mit einer ersten
Ausführngsform für die Verspannung der Preßteile und Fig, 3 einen QuerscIiritt durch
einen Spulenträger mit einer zweiten Ausführungsform für die Verspannung der Preßteile.
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Fig. 1 zeigt in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung
zwei formgleiche und halbschalenförmig ausgebildete Preßteile 1 und 1', die - wie
es durch eine geschweifte Klammer angedeutet ist - zu einem mit 2 bezeichneten Spulenträger
zusammengesetzt werden. Beim Zusammensetzen des Spulenträgers 2 dient zur Lagesicherung
eine im Bereich der Teilfuge in Achsrichtung verlaufende Feder 3 des halbschalenförmigen
Preßteils 1, welche formschlüssig in eine Nut 4' des halbschalenförmigen Preßteils
1' eingreift. In entsprechender Weise greift eine Feder 3' des halbschalenförmigen
Preßteils 1' in eine Nut 4 des halbschalenförmigen Freßteils 1 ein.
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Die Innenkontur des aus den beiden halbschalenförmigen Preßteilen
1 und 1' zusammengefügten Spulenträgers 2 bildet die Stützkontur zur Fixierung einer
zweilagigen supraleitenden Spule. Die symmetrisch zur Trennfugenebene ausgerichtete
Stützkontur besteht im Bereich des halhschalenförmigen Preßteils 1 aus zwei Zylinderflächen
5 und zwei Zylinderflachen 6 und im Bereich des halbschalenförmigen Preßteils 1'
aus zwei Zylinderflächen 5' rind
zwei 7,ylinderfleichen 6'. Die
Zylind.erflächen 5 und 5' liegen auf den gleichen Durchmesser, während die Zylinderflächen
6 und 6' auf einem etwas geringeren Durchmesser liegen. Diese treppenförmige Anordnung
wird durch zwei weitere Stufen 7 und 7' ergänzt, welche zwischen den beiden Zylinderflächen
6 bzw den beiden Zylinderflächen 6t liegen und den geringsten Innendurchmesser aufweisen.
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Die Fixierung der supraleitenden Spule durch die aus den Zylinderflächen
5 und 5' sowie 6 und 6' bestehende Stützkontur geht aus den Figuren 2 und 3 hervor,
welche die Preßteile 1 und 1' im zusammengefügten Zustand seigen.
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Die Kontur der aus einer Außenlage 8 und einer Innenlge 9 bestehenden
supra'.eitenden Spule ist dabei durch£strichpunktierte Linien attgedeutet. Es ist
ersichtlich, daß die Außenlage 8 auf den Zylinderflächen 5 und 5' aufliegt, während
die Innenlage 9 teilweise auf der Außenlage 8 und teilweise auf den Zylinderflächen
6 und 6' aufliegt.
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Aus der Zeichnung ist ferner ersichtlich, daß durch die Stufen zwischen
den Zylinderflächen 5 und 6 bzw. 5' und 6' äußere Polstücke gebildet sind, während
die stufen 7 und 7' als innere Polstücke bezeichnet werden können.
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Die in der Zeichnung nur schematisch dargestellte supraleitende Spule
wird aus Leiterseilen mit Trapezquerschnitt hergestellt. Dabei wird zunächst die
innenlage 9 gewickelt, in Form gepreßt und gehärtet. Dann wird die Außenlage 8 auf
die Innenlage 9 gewickelt und anschließend ebenfalls in Form gepreßt und gehärtet.
Die aus der Außenlage 8-und der Innenlage 9 bestehende Spule weist dabei gegenüber
der aus den Zylinderflächen 5, 5', 6 und 61 gebildeten Stützkontur ein gewisses
übermaß auf, so daß sie über die halbschalenförmigen Preßteile 1 und 1 t verspannt
werden können und eine gegenüber magnetischen Kräften und thermischer Entlastung
sichere Festlegung gewährleistet ist. Der zum Verspannen der halbschalenformigen
Preßteile 1 nd 1' erforderliche Preßdruck liegt
Nach einer in Fig.
2 dargestellten ersten Ausführungsform werden die hohen Spannkräfte durch eine rohrförmige
TJmmantelung 10 aufgebracht, welche den Spulenträger 2 1Imschließt. Die aus mit
Epoxidharz gebundenen Aramidfasern oder mit Epoxidhars gebundenen Glasfasern bestehende
Ummantelung 0 wird dabei auf die vorgespannten halbschalenförmigen Preßteile 1 und
1 aufgezogen. Die Aramid-oder Glasfasern können auch unter steigender Zugspannung
direkt auf den Wicklungsträger 1 aufgewickelt werden.
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Nach der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform werden die
hohen Spannkräfte durch das mit 11 bezeichnete Eisenjoch aufgebracht, welches in
der Ebene der Teilfuge des Spulenträgers 2 geteilt ist. Das Eisenjoch 11 ist hier
formschlüssig an den Spulenträger 1 herangeführt, d. h. es wird innerhalb des in
der Zeichnung nicht dargestellten Kryostaten in den kalten Bereich einbezogen. Der
zum Verspannen der Spule auf die beiden Hälften des Eisenjoches 11 ausgeübte Preßdruck
wird beispielsweise durch in der Zeichnung nicht dargestellte Spanrirahmen aufgebracht
und durch in längsrichtung verlaufende Schweißnähte 12 eingefroren.
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Zur Herstellung der formgleichen halbschalenförmigen PreR-teile 1
bzw. 1' wird eine handelsübliche Formpreßmasse verwendet, welche aus ca. 13 mm langen
zylinderförmigen, mit Epoxidharz im B-Zustand gebundenen Glasfaserbündeln besteht.
Diese Formpreßmasse wird in einer Preßform unter Temperatur und hohem Druck gepreßt.
Die Preßform muß mit hoher Genauigkeit beispielsweise durch Elektroerodieren nur
einmal hergestellt werden, wobei der relativ geringe Schrumpf von 0,05 % berücksichtigt
wird. Eine Nacharbeit der Außenkontnren der Preßteile 1 bzw. 1' ist nicht erforderlich.
Eine mechranisehe Bearbeitung ist 3 ediglieh fiir das Einbringen der für r.lz.e
Heliumführung vorgeschen,
aber in der Zeichnung nicht näher dargestellten
Kanäle erforderlich, soweit diese Kanäle nicht direkt in der Preßforn mit vorgesehen
werden können.
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11 Patentansprüche 3 Figuren
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