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Die vorliegende Erfindung betrifft einen vielschichtigen
Wirbelstromgenerator für die Erzeugung eines starken
Magnetfelds, der für verschiedene Forschungsarbeiten im Bereich der
Magnettechnik, wie z.B. Untersuchungen von magnetischerr
Eigenschaften von Materalien, magnetische Antriebe, Biomagnetik
und Kernfusion geeignet ist. Insbesondere betrifft die
Erfindung einen Generator für die Erzeugung eines starken
Magnetfelds, der kontinuierlich ein äußerst starkes magnetisches
Feld durch Überlagerung von Wirbelströmen in mehreren Phasen
erzeugen kann, die jeweils einzeln in mehreren
Leiterschichten induziert werden.
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Gegenwärtig wird in der Forschung und Entwicklung von
Generatoren für die Erzeugung eines starken Magnetfelds unter
Verwendung von groß dimensionierten Versuchsanlagen ein hoher
Aufwand getrieben, um die Untersuchungen und Studien von
Materialeigenschaften in starken Magnetfeldern, die Herstellung
und Prüfung neuer Materalien und Kernfusionsexperimente zu
fördern.
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Herkömmliche Generatoren für die Erzeugung eines starken
Magnetfelds können in mehrere Gruppen eingeteilt werden,
nämlich Generatoren für die Erzeugung eines starken Magnetfelds
mit zerstörendem Impuls, wie z.B. diejenigen gemäß dem KNER-
Verfahren und dem Implosionsverfahren, Generatoren für die
Erzeugung eines starken Magnetfelds mit nicht zerstörendem
Impuls, wie z.B. diejenigen mit vielschichtiger Spule und die
sogenannte MIT-Bauart, und kontinuierliche Generatoren für
die Erzeugung eines starken Magnetfelds, wie etwa die der
supraleitenden Bauart und der Hybridbauart.
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Die Generatoren für die Erzeugung eines starken Magnetfelds
nach dem Stand der Technik erzeugen sehr starke Magnetfelder.
Diese Generatoren haben jedoch insofern Nachteile, als die
erzeugten starken Magnetfelder von sehr kurzer Dauer sind,
spezielle Einrichtungen, wie etwa Geräte für extrem niedrige
Temperaturen sowie starke Stromversorgungseinrichtungen
erforderlich sind, nur ein gepulstes oder Gleichstrommagnetfeld
erzeugt werden kann und die kontinuierliche Erzeugung eines
starken Wechselstrommagnetfelds nicht möglich ist.
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Die GB-A-1586796 zeigt einen Generator für die Erzeugung
eines starken Magnetfelds mit einer Vielzahl von Erregerspulen
auf, die einzeln zwischen ringförmigen Plattenabschnitten
eines Leiterkörpers mit einem einzelnen kreisförmigen
Plattenabschnitt angeordnet ist, der mit einem frei durchgängigen
Loch versehen ist, in dem das Magnetfeld zu erzeugen ist,
wobei ein radialer Schlitz vom Umfang des Leiterkörpers nach
innen verlaufend durch alle Plattenabschnitte vorgesehen ist.
In diesem Generator erstreckt sich das Loch senkrecht zur
Achse des Leiterkörpers und die kreisförmige Platte ist
entlang einer zu der Achse senkrechten Ebene durch eine
isolierende Auskleidung geteilt, die auch das Loch auskleidet. Die
an den einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Teile
des kreisförmigen Abschnittes induzierten Wirbelströme sollen
mit den in einem Werkstück in dem Loch induzierten
Wirbelströmen in Wechselwirkung treten, um eine Verformung des
Werkstückes zu verursachen. Die Spulen werden durch Entladen
eines Kondensators durch diese erregt.
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Um die vorstehend erwähnten Nachteile nach dem Stand der
Technik zu überwinden und die kontinuierliche Erzeugung eines
starken Wechselstrommagnetfelds zu erleichtern, schlugen die
Erfinder in ihrer japanischen Patentanmeldung Nr. 61 (1986)-
228,459 einen Generator der Wirbelstrombauart für die
Erzeugung eines starken Wechselstrommagnetfelds vor. Genauer
verwendet der bereits von den Erfindern vorgeschlagene Generator
der Wirbelstrombauart für die Erzeugung eines
Wechselstrommagnetfelds eine in einem von einem aus einer Spule gebildeten
Elektromagneten zu erzeugenden Magnetfeld angeordnete
Leiterplatte, so daß in der Leiterplatte ein Wirbelstrom zur
Erzeugung eines Gegenmagnetfelds zur Neutralisierung des
Wechselstrommagnetfelds des Elektromagneten induziert wird. In der
Leiterplatte ist in der Weise ein Hohlraum gebohrt, daß das
Wechselstrommagnetfeld bedingt durch den Wirbelstrom in dem
Hohlraum zusammengeführt wird, um so die Magnetflußdichte an
dem Hohlraum auf ein extrem hohes Niveau zu verstärken.
Dadurch wird am Hohlraum durch Zusammenführen des Wirbelstroms
an diesem ein sehr starkes Wechselstrommagnetfeld erzeugt.
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Der vorstehend vorgeschlagene Generator der Wirbelstrombauart
für die Erzeugung eines starken Wechselstrommagnetfelds ist
jedoch so aufgebaut, daß zwei Spulen beiderseits von zwei
Leiterplatten, die zwischen sich einen schmalen Schlitz
bilden, oder einer einzelnen kreisförmigen Leiterplatte mit
einem schmalen radialen Schlitz, der sich vom Umfang zu einem
Loch in der Mitte derselben erstreckt, jeweils angeordnet
sind. Demnach ist vorstehend genannter Generator der
Wirbelstrombauart zur Erzeugung eines starken
Wechselstrommagnetfelds insofern mangelhaft, als der zusammenzuführende
Magnetfluß
in recht großem Ausmaß austritt, so daß es schwierig
war, die Dichte des Wechselstrommagnetf lusses in dem Schlitz
oder dem Mittelloch auf ein theoretisch erwartetes Niveau zu
verstärken.
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Anschließend zeigten die Erfinder einen auf der Verbesserung
des vorstehend vorgeschlagenen Generators basierenden
vielschichtigen Wirbelstromgenerator für die Erzeugung eines
starken Magnetfelds in der Beschreibung der JP-A-62-62,708
(1987) auf. Der vorstehend aufgezeigte Generator für die
Erzeugung eines starken Magnetfelds, der zur effizienten
Verstärkung der Dichte des Wechselstrommagnetflusses basierend
auf der Verringerung des Austretens des Magnetflusses
geschaffen ist, die durch das Zusammenführen des in dem von der
Erregerspule umgebenen Leiterkörper erzeugten Wirbelstromes
um das Mittelloch des Leiterkörpers bewirkt wird, ist
entsprechend der Darstellung in Figur 5 aufgebaut. In dieser
Anordnung sind jeweilige vielschichtige Leiterzylinder 5-1a bis
5-3a und 5-1b bis 5-3b und Erregerspulen 10a bis 12a und 10b
bis 12b, die symmetrisch in konzentrischem Zustand auf der
Oberseite und der Unterseite einer kreisförmigen Leiterplatte
4 angeordnet sind, abwechselnd miteinander kombiniert, und in
jedem der konzentrischen Leiterzylinder erzeugte Wirbelströme
werden um ein in der Mitte der kreisförmigen Leiterplatte 4
vorgesehenes Loch 3 entlang einem Schlitz 2 zusammengeführt,
um so die Magnetflüsse effizient in dem in der Mitte
angeordneten Loch 3 zusammenzuführen.
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Bei dem in Figur 5 aufgezeigten herkömmlichen vielschichtigen
Wirbelstromgenerator für die Erzeugung eines starken
Magnetfelds sind die Erregerspulen 10a,b bis 12a,b konzentrisch um
das Mittelloch 3 angeordnet, so daß die jeweiligen Impedanzen
dieser Erregerspulen eine voneinander verschiedene Ordnung
aufweisen und somit die jeweiligen um das Mittelloch 3 von
den jeweiligen Spulen erregten Wirbelströme eine voneinander
verschiedene Ordnung aufweisen. Dadurch ist es ein Problem
des herkömmlichen Generators für die Erzeugung eines starken
Magnetfelds dieser Bauart, daß durch balancierte Erregung
bewirkte Mehrphasenwechselströme kaum verfügbar sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das
vorstehende Problem des Standes der Technik zu lösen, indem ein
neuartiger vielschichtiger Wirbelstromgenerator für die
Erzeugung eines starken Magnetfelds geschaffen wird, der durch
geschickte Anordnung von vielschichtigen Erregerspulen
verbessert ist, so daß ein starkes Wechselstrommagnetfeld ohne
weiteres kontinuierlich bei Normalleitungszustand bei
Raumtemperatur unter der Erregung durch einphasigen sowie
mehrphasigen Wechselstrom erzielbar ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen vielschichtigen
Wirbelstromgenerator für die Erzeugung eines starken
Magnetfelds, umfassend: einen Leiterkörper, der ein einzelnes
Kreisscheibenteil mit einem Loch, in dem das Magnetfeld zu
erzeugen ist, eine Vielzahl von ringförmigen Plattenteilen
und einen Zylinderteil aufweist, der die ringförmigen
Plattenteile jeweils einzeln mit dem Kreisscheibenteil verbindet,
wobei ein Schlitz vorgesehen ist, der sich radial einwärts
von einer Peripherie des Leiterkörpers durch alle genannten
Teile erstreckt; und eine vielzahl von Erregerspulen, die
einzeln zwischen den ringförmigen Plattenteilen des
Leiterkörpers angeordnet sind, wobei die jeweils unter Erregung der
Erregerspulen in jedem der ringförmigen Plattenteile des
Leiterkörpers erzeugten Wirbelströme über den Zylinderteil um
das Loch des einzelnen Kreisscheibenteils zusammengeführt
werden, um so das magnetische Feld in dem Loch zu
konzentrieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch in der Mitte des
einzelnen Kreisscheibenteils unter Erstreckung in axialer
Richtung angeordnet ist und einen Durchmesser hat, der größer
als die Weite desjenigen Teiles des Schlitzes ist, der sich
durch den Kreisscheibenteil erstreckt, wobei die
Erregerspulen die ringförmigen Plattenteile unter Erregung in einer
einzelnen Phase oder in mehreren Phasen durchgängig erregen
und die Wirbelströme um das Loch derart zusammengeführt
werden, daß das Loch im wesentlichen vollständig von den
Wirbelströmen in peripherer Richtung umgeben ist, so daß in dem
Loch ein konzentriertes axiales magnetisches Feld erzeugt
wird.
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Demzufolge kann gemäß vorliegender Erfindung das
Zusammenführen vom Magnetflüssen mit der Wirkung von unter der Erregung
in einzelner Phase oder mehreren Phasen erzeugten
Wirbelströmen effizient unter Verringerung des Austretens derselben
durchgeführt werden und somit kann die Dichte des
zusammengeführten magnetischen Flusses mit hoher Effizienz beliebig
erhöht werden, womit ein starkes Wechselstrommagnetfeld oder
ein starkes pulsierendes Magnetfeld mit einer beliebigen
Magnetfeldstärke erzielbar sind, wie es zur Messung von
physikalischen Eigenschaften von Materialien, zur Forschungsarbeit
zur Entwicklung neuer Materialien, für Studien auf dem Gebiet
der Biomagnetik und ähnliches erforderlich ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die
beiliegende Zeichnung Bezug genommen, wobei:
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Figur 1 eine teilausgeschnittene schematische
perspektivische Ansicht des prinzipiellen Aufbaus eines
vielschichtigen Wirbelstromgenerators für die
Erzeugung eines starken Magnetfelds gemäß
vorliegender Erfindung ist;
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Figur 2 eine Draufsicht auf denselben ist;
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Figur 3 eine vertikale Schnittdarstellung entlang der
Linie V-V in Figur 2 ist;
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Figur 4 ein Vektordiagramm ist, das die Arbeitswirkung
desselben zeigt; und
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Figur 5 eine teilweise ausgeschnittene schematische
perspektivische Ansicht eines früher aufgezeigten
vielschichtigen Wirbelstromgenerators zur
Erzeugung eines starken Magnetfelds ist.
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In den verschiedenen Ansichten der Zeichnung werden die
folgenden Bezugszeichen verwendet.
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1 ... Leiterkörper, 2 ... Schlitz,
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3 ... Hohlraum (Loch), 4 ... kreisförinige Leiterplatte,
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5 ... Leiterzylinder,
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6 bis 9 ... ringförmige Leiterplatte,
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10 bis 12 ... Erregerspule,
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13 bis 16 ... Wirbelstrom,
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5-1a bis 5-3a, 5-1b bis 5-3b ... Leiterzylinder,
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10a bis 12a, 10b bis 12b ... Erregerspule.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Detail unter Bezug auf die
Ausführungsformen beschrieben.
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Zunächst zeigt Figur 1 eine teilausgeschnittene
perspektivische Ansicht eines grundsätzlichen Aufbaus eines
vielschichtigen Wirbelstromgenerators für die Erzeugung eines starken
Magnetfelds gemäß vorliegender Erfindung, Figur 2 zeigt eine
Draufsicht auf denselben und Figur 3 eine vertikale
Schnittdarstellung desselben entlang der Linie V - V in Figur 2. Bei
diesem grundsätzlichen Aufbau ist ein peripherer Teil einer
kreisförmigen Leiterplatte 4, die beispielsweise aus einer
Kupferplatte mit 10 mm Stärke besteht, durch einen
Leiterzylinder 5 in mehrere ringförmige Leiterplatten 6 bis 9
geteilt, so daß sie insgesamt einen zylindrischen Leiterkörper
l bildet. In diesem zylindrischem Leiterkörper 1 ist ein Loch
3 beispielsweise in zylindrischer Form ausgebildet und im
Mittelteil der kreisförmigen Leiterplatte 4 vorgesehen, und
ferner ist ein sich von einer Peripherie des zylindrischen
Leiterkörpers 1 zum in der Mitte liegenden Loch 3 in radialer
Richtung erstreckender Schlitz 2 vorgesehen sowie des
weiteren mehrere Erregerspulen. Beispielsweise sind drei
Erregerspulen 10 - 12, wie in Figur 1 - 3 gezeigt, einzeln in jeder
der zwischen jeder ringförmigen Leiterplatte 6 - 9
ausgebildeten Vertiefung in Kontakt mit einer Außenwand des
Leiterzylinders 5 gewickelt.
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Ansprechend auf das Anlegen von Einphasen- oder
Dreiphasenwechselspannung an die wie vorstehend beschrieben
angeordneten Erregerspulen 10 bis 12 fließen jeweils in den
ringförmigen Leiterplatten 6 bis 9, die jeweils in Kontakt mit den
Erregerspulen 10 bis 12 stehen, erzeugte Wirbelströme 11 bis 14
in peripherer Richtung durch jede dieser ringförmigen
Leiterplatten 6 bis 9, so daß der Durchtritt des
Wechselstrommagnetflusses behindert wird. Diese Wirbelströme 11 bis 14
werden jedoch auf halbem Wege durch den in radialer Richtung
ausgeschnittenen Schlitz 2 am Fließen in peripherer Richtung
gehindert und somit wird der Fluß der Wirbelströme 11 bis 14
vollständig in radialer Richtung entlang dem Schlitz 2
gedreht. Das hat zur Folge, daß alle Wirbelströme 11 bis 14
durch den Leiterzylinder 5 in die kreisförmige Leiterplatte 4
fließen, so daß sie um das in der Mitte angeordnete Loch 3
derselben konzentriert werden. Folglich laufen alle durch die
konzentrierten Wirbelströme 11 bis 14 induzierten
Magnetflüsse durch das in der Mitte liegende Loch 3 und somit wird
die Magnetflußdichte in diesem sehr stark erhöht, so daß ohne
weiteres ein äußerst starkes Wechselstrommagnetfeld darin
erzeugt wird.
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In der vorstehend beschriebenen Anordnung ist jede der
Erregerspulen 10 bis 12 im wesentlichen unter denselben
Bedingungen mit dem in der Mitte liegenden Loch 3 kombiniert und
somit sind die jeweiligen Impedanzen der Erregerspulen 10 bis
12 im wesentlichen einander gleich. Damit sind die jeweiligen
Arbeitswirkungen der von den Erregerspulen 10 bis 12
erzeugten
und um das in der Mitte angeordnete Loch 3
zusammengeführten Wirbelströme 13 bis 16 ebenfalls einander gleich, so
daß die in vielschichtigem Zustand, wie in Figur 1 und 3
dargestellt, angeordneten Erregerspulen 10 bis 12 effizient
durch die Dreiphasenwechselstromquelle angesteuert werden
können.
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Im Hinblick darauf, daß die Erregerspulen 10 bis 12 von einer
Dreiphasenwechselstromquelle betrieben werden, kann
beispielhaft dargestellt werden, daß ein Wirbelstromvektor Ic der
durch diese Erregerspulen 10 bis 12 erzeugten dreiphasigen
Wirbelstromvektoren in einen Vektor -Ic der entgegengesetzten
Phase umgekehrt wird, wie in Figur 4 dargestellt, so daß die
jeweiligen Komponentenvektoren in c-Richtung Ia c und Ib c
der Wirbelströme Ia und Ib miteinander in derselben Phase
überlagert werden können, um so einen balancierten Zustand in
einer Phase der Dreiphasenladung zu erhalten. Als Folge kann
eine durch das Zusammenführen der Wirbelströme erzielte
starke Magnetfeldstärke weiter sehr stark gesteigert werden.
Diese Arbeitswirkung der Erzeugung eines durch die
dreiphasige Erregung erzielten, äußerst starken Magnetfelds kann in
Reaktion auf erhöhte Abmessungen der Vorrichtung verstärkt
werden und somit kann der erfindungsgemäße Effekt weiter
verdeutlicht werden.
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In vorstehender Beschreibung ist der Leiterkörper 1 insgesamt
in zylindrischer Form ausgebildet. Die Form des Leiterkörpers
1 ist jedoch nicht auf die vorstehend beispielhaft
dargestellte beschränkt, sondern kann auch als Vieleck ähnlich
einein Zylinder ausgeführt sein, womit auch die Erregerspule
entsprechend geformt sein kann.
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Weiter sind in vorstehender Beschreibung der Aufbau und der
Betrieb der erfundenen Vorrichtung beispielhaft für den Fall
beschrieben, daß das starke Wechselstrommagnetfeld
kontinuierlich erzeugt wird. Die erfundene Vorrichtung kann jedoch
auch so aufgebaut sein, daß ein starkes pulsierendes
Magnetfeld kontinuierlich erzeugt wird, beispielsweise durch die
nur durch eine Phasenkomponente der Wechselspannung bewirkte
Erregung.
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Wie aus vorstehender Beschreibung deutlich wird, ist es gemäß
vorliegender Erfindung möglich, einen außergewöhnlichen
Effekt insofern zu erzielen, als der in der Leiterplatte durch
die nicht nur durch eine Einphasenwechselstromquelle sondern
auch durch eine Mehrphasenwechselstromquelle angesteuerte
Erregerspule erzeugte Wirbelstrom in effizienter Weise um das
in der Mitte angeordnete Loch der Leiterplatte
zusammengeführt werden kann, so daß somit das starke
Wechselstrommagnetfeld in Verbindung mit einem verringerten Austreten in
effizienter Weise durch einen vergleichsweise einfachen
Aufbau erzeugt werden kann.