DE3610690C5

DE3610690C5 - Magnetspule mit scheibenförmigem Stromleiter

Info

Publication number: DE3610690C5
Application number: DE3610690A
Authority: DE
Inventors: E. Dr. Steingroever; Dietrich Steingroever
Original assignee: Magnet Physik Dr Steingroever GmbH
Current assignee: Magnet Physik Dr Steingroever GmbH
Priority date: 1986-03-29
Filing date: 1986-03-29
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2006-03-30
Also published as: FR2596570B1; GB2188491B; DE3610690C2; US4794358A; DE3610690A1; FR2596570A1; GB8703628D0; GB2188491A

Abstract

Magnetspule mit scheibenförmigen Stromleitern zum Erzeugen hoher Magnetfelder, die von Stromimpulsen aus einer Kondensator-Entladung gespeist wird und zum Aufmagnetisieren, Entmagnetisieren und Abgleichen von Dauermagneten in Magnetisiervorrichtungen dient,
bestehend aus mehreren im Stapel angeordneten Scheiben (1) eines elektrischen Leiters mit einer Mittelöffnung (10),
wobei jede Scheibe (1) einen von der Mittelöffnung (10) durchgehenden radialen Schlitz (2) mit beiderseits davon angeordneten elektrischen Anschlüssen (11, 12) und neben einem den Strom führenden ringförmigen inneren Bereich (3)
einen die Wärme ableitenden äußeren Bereich (4) mit weiteren Schlitzen (5) aufweist und die einzelnen Scheiben (1) spiralförmig miteinander in Serie geschaltet sind,
wobei die einzelnen Scheiben (1) durch Isolierscheiben (8) voneinander getrennt und durch Zugstangen, die durch Bohrungen (9) im äußeren Bereich (4) der Scheiben (1) hindurchgeführt sind, mit den Isolierscheiben (8) zusammengehalten sind, und
wobei die Scheiben (1) im wesentlichen quadratisch ausgebildet und jeweils um 45° zueinander versetzt sind.

Description

Die Erfindung betrifft Magnetspulen mit scheibenförmigen Stromleitern zum Erzeugen hoher Magnetfelder, die von Stromimpulsen aus einer Kondensator-Entladung gespeist werden und zum Aufmagnetisieren, Entmagnetisieren und Abgleichen von Dauermagneten in Magnetisiervorrichtungen dienen.
Die Erwärmung der Spule hängt stark von der Impulsenergie ab. Um ein fortlaufendes Arbeiten der Geräte zu gewährleisten, muß ene beschleunigte Kühlung der Spulen – vorzugsweise mit Luft – vorgesehen werden.

Bekannt sind Magnetspulen, die aus scheibenförmigen Stromleitern bestehen, die in Spiralform miteinander verbunden sind (sogenannte „Bitter-Spulen", F. Bitter, Rev. Sci. Instr. 7, 479, 482 (1936). Bei diesen wird zur Kühlung eine Kühlflüssigkeit durch axiale Bohrungen durch die Scheiben geleitet. Der Aufwand für diese Kühlart ist beachtlich.

Bekannt ist ferner ein ein- oder mehrteiliger, durch Flüssigkeit gekühlter Induktor zur Erwärmung beliebiger metallischer Gegenstände ( CH 328 166 ), und zwar vorzugsweise durch Hochfrequenz, mit Schlitzen zur Verengung seines leitenden Querschnittes. An dem Induktor sind für die Kühlflüssigkeit metallische Kühlrohre so angebracht, dass mindestens eines wenigstens einen Schlitz überbrückt und an dieser Stelle so gebogen ist, dass diese Stelle einen höheren induktiven Widerstand als das gestreckte Rohr besitzt. Die Herstellung solcher Induktoren ist durch die Kühlrohre kostenaufwendig.

Außerdem sind solche Induktoren für Magnetisiervorrichtungen nicht geeignet.

Weiterhin ist eine elektrische Magnetspule mit scheibenförmigem Stromleiter zum Erzeugen eines konzentrierten Magnetfeldes bekannt ( US 31 50 339 ), die insbesondere für eine Verwendung in Elektronenstrahl-Fokussiereinrichtungen geeignet ist und kein ferromagnetisches Material zum Konzentrieren des Magnetfeldes benötigt. Diese Magnetspule, die insbesondere für Elektronenmikroskope bestimmt ist, besteht aus einem Stapel von kreisringförmigen Scheiben aus leitendem Material, wie Kupfer, von denen jede C-förmig ausgebildet ist mit einem leitenden inneren Bereich und einem äußeren Bereich mit einer Anzahl von über den Umfang jeder Scheibe verteilten radialen Schlitzen. Die einzelnen geschlitzten Scheiben sind spiralförmig miteinander verbunden und über elektrische Anschlüsse an eine Stromquelle angeschlossen. Diese Magnetspule ist eine typische Gleichstromanwendung, bei der keine hohen mechanischen Kräfte auftreten und die somit zum Einsatz für Magnetisiervorrichtungen mit hohen Stromimpulsen aus einer Kondensator-Entladung nicht geeignet ist.

Eine weitere bekannte Magnetspule zum Erzeugen hoher Magnetfelder nach dem Prinzip von Bitter ist als NRL-Magnet in British Communications and Electronics, 1963, S. 776-781, beschrieben. Diese Magnetspule ist eine Gleichstromspule mit Wasserkühlung (S. 777, rechte Spalte) und besteht aus dünnen ringförmigen, elektrisch leitend miteinander verbundenen Kupferscheiben mit radialem Schlitz, die im Stapel abwechselnd mit glasfaserverstärkten Isolierscheiben aus Polytetrafluorethylen angeordnet sind. Die Kupferscheiben und die Isolier scheiben weisen eine Vielzahl von miteinander fluchtenden Bohrungen auf, die die Magnetspule über deren gesamte Länge durchsetzen und als Kühlkanäle für eine Kühlflüssigkeit dienen. Die Scheiben mit den Kühlkanälen sind in einem Gehäuse angeordnet und werden durch isolierte Führungsbolzen, die durch Bohrungen am Umfang der Scheiben hindurchgeführt sind, so miteinander ausgerichtet, dass die Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen möglichst unbehindert zirkulieren kann. Die Kühlwirkung durch die Kühlflüssigkeit ist jedoch sehr begrenzt, so dass das Magnetfeld nur für kurze Zeit aufrechterhalten werden kann. Für Magnetisiervorrichtungen der eingangs genannten Art mit Stromimpulsen aus einer Kondensator-Entladung sind solche Magnetspulen nicht geeignet.

Dies gilt auch für eine weitere Beschreibung dieser bekannten Spulenkonstruktion nach Bitter in Electronics & Power, März 1965, S. 79-86. Nach Seite 81, mittlere Spalte, dieser Veröffentlichung sind bei dem erwähnten NRL-Magneten dicke Endplatten für die Stromzuführung vorgesehen, und der gesamte Plattenstapel wird durch isolierte Bolzen entweder außerhalb der Spule oder durch diese hindurch zusammengehalten. Auch hier ist die Kühlwirkung durch die Zirkulation des Kühlmittels durch die zahlreichen engen Bohrungen des Plattenstapels äußerst begrenzt, so dass die Magnetspule für Magnetisiervorrichtungen mit Stromimpulsen aus einer Kondensator-Entladung nicht geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Magnetspulen der eingangs genannten Art in konstruktiv einfacher und kostensparender Weise so auszubilden, dass sie für eine sichere und gleichmäßige Kühlung möglichst mit Luft, geeignet sind.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst, während in den Ansprüchen 2 bis 4 besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.

Da die Scheiben des Plattenstapels im wesentlichen quadratisch ausgebildet und jeweils um 45° zueinander versetzt sind, ragen die Ecken der im Versatz gestapelten Scheiben aus dem Scheiben-Stapel seitlich heraus und sind besonders leicht zu kühlen, zum Beispiel mit Luft oder mit einer Kühlflüssigkeit. Die überstehenden Ecken der zueinander versetzten Scheiben bilden ausgezeichnete Kühlrippen, so dass eine gute radiale Wärmeabfuhr möglich ist.

Da die einzelnen Scheiben durch die zusätzlichen radialen Schlitze neben einem den Strom führenden ringförmigen inneren Bereich einen die Wärme ableitenden äußeren Bereich zwischen den Schlitzen aufweisen, ergibt sich eine Zusammenschnürung des Stroms auf den stromführenden inneren Bereich der Spule, wodurch das Verhältnis Feldstärke : Strom zusätzlich verbessert wird.

Von Vorteil ist außerdem, dass die einzelnen Scheiben durch Isolierscheiben voneinander getrennt und durch Zugstangen, die durch Bohrungen im äußeren Bereich der Scheiben hindurchgeführt sind, mit den Islolierscheiben zu einem festen Paket zusammengehalten sind. Hierdurch dienen die äußeren Bereiche der im Stapel angeordneten Scheiben als Kühlrippen, zwischen denen die Kühlluft hindurchstreichen und die erzeugte Wärme ohne zusätzliche Hilfsmittel wegführen kann.

Die Scheiben können im äußeren Bereich dünner als im inneren Bereich sein, also stufen- oder keilförmig nach außen dünner werden.

Vorteilhaft ist es, wenn der äußere Durchmesser oder die äußere Kantenlänge der Scheiben wenigstens das 1,5-fache des Durchmessers der Mittelöffnung beträgt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
1 eine runde Scheibe einer Magnetspule mit einem radialen Schlitz und Bohrungen im äußeren Bereich,
2 eine quadratische Scheibe einer Magnetspule,
3 eine Stirnansicht einer Magnetspule mit derartigen im wesentlichen quadratischen Scheiben, die im Stapel jeweils um 45° zueinander versetzt angeordnet sind, und
4 einen senkrechten Längsschnitt durch eine solche Magnetspule mit scheibenförmigen Stromleitern.
Die in 1 gezeigte Magnetspule besteht aus runden oder im wesentlichen quadratischen Scheiben 1 mit einer Mittelöffnung 10, zum Beispiel aus Kupfer, von denen jede für eine spiralförmige Verbindung mit der jeweils nächsten Scheibe einen radialen Schlitz 2 aufweist. Jede Scheibe 1 hat einen inneren, den Strom leitenden Bereich 3, und einen äußeren, der Wärmeableitung dienenden Bereich 4 mit Bohrungen 9 für Zugstangen, die die Spule zusammenhalten. Die Scheiben 1 sind im äußeren Bereich 4 dünner als im inneren Bereich 3. Beide Bereiche 3 und 4 sind durch eine gestrichelte Linie getrennt. Radiale Schlitze 5 verhindern oder schwächen den Stromverlauf im äußeren Bereich 4.
Bei der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform sind die im wesentlichen quadratischen Scheiben 1 von 2 mit 45° Versatz gestapelt, so dass ihre Ecken 6 aus dem Scheiben-Stapel herausragen (3) und besonders leicht zu kühlen sind, zum Beispiel mit Luft oder mit einer Kühlflüssigkeit.
Jede Scheibe 1 hat neben dem von der Mittelöffnung 10 ausgehenden radialen Schlitz 2 zwei elektrische Anschlüsse 11, 12.
An dem elektrischen Anschluß 11 wird in 2 und 3 bei + der Strom der ersten Scheibe 1 zugeführt und über einen Kupferring 7 jeweils zu der nächsten Scheibe 1 geleitet bis zur letzten Scheibe, die mitverbunden ist.
In 1 ist eine derartige Magnetspule im Schnitt dargestellt. Die überstehenden Ecken 6 der zueinander versetzten Scheiben 1 bilden Kühlrippen, wobei die einzelnen Scheiben 1 durch Isolierscheiben 8 voneinander getrennt und durch Zugstangen, die durch Bohrungen 9 in den Scheiben 1 hindurchgeführt sind, mit den Isolierscheiben 8 zu einem festen Paket vereinigt sind.
Der äußere Durchmesser oder die äußere Kantenlänge der Scheiben beträgt wenigstens das 1,5-fache des Durchmessers der Mittelöffnung 10.

Claims

Magnetspule mit scheibenförmigen Stromleitern zum Erzeugen hoher Magnetfelder, die von Stromimpulsen aus einer Kondensator-Entladung gespeist wird und zum Aufmagnetisieren, Entmagnetisieren und Abgleichen von Dauermagneten in Magnetisiervorrichtungen dient, bestehend aus mehreren im Stapel angeordneten Scheiben (1) eines elektrischen Leiters mit einer Mittelöffnung (10), wobei jede Scheibe (1) einen von der Mittelöffnung (10) durchgehenden radialen Schlitz (2) mit beiderseits davon angeordneten elektrischen Anschlüssen (11, 12) und neben einem den Strom führenden ringförmigen inneren Bereich (3) einen die Wärme ableitenden äußeren Bereich (4) mit weiteren Schlitzen (5) aufweist und die einzelnen Scheiben (1) spiralförmig miteinander in Serie geschaltet sind, wobei die einzelnen Scheiben (1) durch Isolierscheiben (8) voneinander getrennt und durch Zugstangen, die durch Bohrungen (9) im äußeren Bereich (4) der Scheiben (1) hindurchgeführt sind, mit den Isolierscheiben (8) zusammengehalten sind, und wobei die Scheiben (1) im wesentlichen quadratisch ausgebildet und jeweils um 45° zueinander versetzt sind.
Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (1) im äußeren Bereich (4) dünner als im inneren Bereich (3) sind.
Magnetspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Kantenlänge jeder Scheibe (1) mindestens das 1,5-fache des Durchmessers der Mittelöffnung (10) beträgt.
Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (1) aus Kupfer bestehen.