DE4335935A1

DE4335935A1 - Multi-turn coil for the production of strong magnetic field pulses

Info

Publication number: DE4335935A1
Application number: DE19934335935
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Beerwald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-21
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1995-04-27

Abstract

A small, light multi-turn coil for the production of magnetic field pulses having flux densities of 30 T. No strength requirements are placed on the strength of the coil wire, which has a preferably rectangular cross-section of a few mm<2>, since the coil wire is protected in a resin-impregnated fibre matrix system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrwindungsspule zur Erzeu gung starker Magnetfeldimpulse oberhalb von 10 Tesla, bei der magnetische Drücke von einigen hundert MPa auftreten.The invention relates to a multi-turn coil for generating strong magnetic field pulses above 10 Tesla, at the magnetic pressures of several hundred MPa occur.

Solche Magnetfeldspulen werden z. B. eingesetzt bei der schnellen magnetischen Umformung von elektrisch gut leit fähigen Metallen, insbesondere zum Fügen von Aluminiumroh ren auf Metall-, Keramik- und Kunststoffkerne.Such magnetic field coils are, for. B. used in the rapid magnetic transformation of electrically well conductive capable metals, especially for joining aluminum tube on metal, ceramic and plastic cores.

Der benötigte Hochstromimpuls wird erzeugt, indem eine Kondensatorbatterie mittels eines oder mehrerer Schalter (z. B. Funkenstrecke, Ignitron oder Hochspannungs- Hochstrom-Thyristor) über die Magnetfeldspule entladen wird. Es werden Einwindungs- und Mehrwindungsspulen benutzt. An dieser Stelle sei auf den Abschnitt 5.2.3. "Spulen zum elektromagnetischen Fertigen" in dem Buch von R. Winkler: "Hochgeschwindigkeitsbearbeitung", VEB Verlag Technik, Berlin, 1973, S. 436-446 hingewiesen und auf den Abschnitt 7.2.1. "Spulen für die Magnetumformung" in dem Buch von A. Neubauer, H. Stroppe und H. Wolf: "Hochgeschwindigkeitstechnologie der Metallbearbeitung", VEB Verlag Technik, Berlin, 1988, S. 157-64.The required high current pulse is generated by a Capacitor battery using one or more Switches (e.g. spark gap, ignitron or high voltage High current thyristor) discharged via the magnetic field coil becomes. There are single-winding and multi-winding coils used. At this point we refer to section 5.2.3. "Coils for electromagnetic manufacturing" in the book by R. Winkler: "High-speed machining", VEB Verlag Technik, Berlin, 1973, pp. 436-446 section 7.2.1. "Coils for Magnetic Forming" in the book by A. Neubauer, H. Stroppe and H. Wolf: "High speed metalworking technology", VEB Verlag Technik, Berlin, 1988, pp. 157-64.

Bei den vielen existierenden Spulenkonstruktionen wird stets eine hohe mechanische Festigkeit des Leitermaterials vorausgesetzt. Die Spulenwicklungen werden meist aus sta bilem Rohrmaterial hergestellt, was eine einfache Wasser kühlung ermöglicht oder sie werden aus Vollmaterial ge wöhnlich durch spanende Bearbeitung aus einem gegossenen, gepreßten oder gezogenen Rohling hergestellt. Zum Teil sind Spulen aus Stahl und kupferplattiertem Stahl kon struiert worden. Alle diese Konstruktionen erfordern rela tiv große geometrische Dimensionen der Spulen, da sonst die benötigte Festigkeit nicht erreicht werden kann. Als Isoliermaterial wird u. a. isolierharzgetränktes Glasfaser gewebe benutzt. Dagegen haben sogenannte "Drahtspulen" (s. Winkler, Abschn. 5.2.3.1.) eine geringe mechanische Stabi lität. Sie werden bereits bei der ersten Entladung zerstört (sogenannte Einschußspulen). Als Vorteile der Drahtspulen gelten jedoch:With the many existing coil designs always high mechanical strength of the conductor material provided. The coil windings are mostly made of sta bilem pipe material made what a simple water cooling or they are made of solid material usually by machining from a cast, pressed or drawn blank. Partly are coils made of steel and copper-clad steel been structured. All of these designs require rela large geometric dimensions of the coils, otherwise the required strength cannot be achieved. When Insulating material is u. a. glass fiber impregnated with insulating resin fabric used. In contrast, so-called "wire coils" (see Winkler, Sect. 5.2.3.1.) A low mechanical stabilization lity. They are destroyed during the first discharge (so-called bullet coils). As advantages of the wire spools however apply:

- cheap manufacture
- Extensive adaptation of the coil winding to the workpiece
- good magnetic coupling between coil and movement piece.

Da kleine standfeste Mehrwindungsspulen für die Bearbei tung von Werkstücken mit Durchmessern in der Größenordnung von 1 cm nicht zur Verfügung stehen, muß auf größere Spu len zurückgegriffen werden, die dann mit einem Feldformer betrieben werden.There are small, stable multi-turn coils for processing processing of workpieces with diameters of the order of magnitude of 1 cm are not available, must on larger Spu len, which is then used with a field former operate.

Aufgabe der Erfindung ist die Realisierung einer stand festen Drahtspule, mit der magnetische Arbeitsdrücke von einigen hundert MPa erreicht werden können.The object of the invention is to realize a stand fixed wire coil with which magnetic working pressures of several hundred MPa can be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß ein dünner Leiterdraht geringer mechanischer Festigkeit ver wendet wird, der in einem Faserverbundwerkstoff hoher me chanischer Festigkeit so eingekapselt ist, daß auch bei Fließen des Leiterdrahtmetalles, verursacht durch den ho hen magnetischen Druck von einigen hundert MPa des erzeug ten Magnetfeldimpulses, die Funktion der Spule nicht be einträchtigt wird.This object is achieved according to the invention in that a thin conductor wire of low mechanical strength ver is used, the high me in a fiber composite material mechanical strength is encapsulated so that even Flow of conductor wire metal caused by the ho hen magnetic pressure of several hundred MPa of the generated th magnetic field pulse, the function of the coil is not is impaired.

Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, daß an die me chanische Festigkeit des Drahtes überhaupt keine Anforde rung gestellt zu werden braucht, daß die Spule sogar mit einem Draht aus flüssigem Metall, z. B. Quecksilber funkti onstüchtig wäre, wenn nur das Gehäuse die notwendige Fe stigkeit besitzt.The invention is based on the idea that to me mechanical strength of the wire is not required at all tion needs to be put that the coil even with a wire made of liquid metal, e.g. B. mercury functi would be inefficient if only the housing had the necessary Fe possesses stability.

Mit Hilfe der Para-Aramid-Faser und der Glasfaser ist es möglich ein solch stabiles Gehäuse zu realisieren.With the help of the para-aramid fiber and the glass fiber it is possible to realize such a stable housing.

Um den Druck zwischen den Drahtwindungen zu reduzieren, ist es sinnvoll, einen Draht mit rechteckförmigem Quer schnitt zu verwenden und ihn so zu wickeln, daß die brei teren Flächen des Drahtquerschnitts in einer Wicklungslage parallel liegen.To reduce the pressure between the turns of the wire, it makes sense to use a wire with a rectangular cross use cut and wrap it so that the porridge tere surfaces of the wire cross-section in a winding layer lie in parallel.

Mit harzgetränkter Glasfaserumwicklung des Drahtes und ei ner Umwicklung der Spule mit harzgetränkter Para-Aramid- Faser läßt sich die benötigte Stabilität einer einlagigen Spule bezüglich der axialen Druckkräfte zwischen den Win dungen und der radialen Expansionskräfte erreichen. Schwierigkeiten treten an den Spulenenden auf, da hier beim Herausführen des Drahtes kompliziertere Verteilungen des magnetischen Druckes auftreten. Durch geschickte Drahtführung kann erreicht werden, daß die zusätzlichen Kräfte die Haltbarkeit der Spule nicht oder nur wenig beeinträchtigen. Falsch wäre es, den Draht in der Ebene einer Endwindung in Form einer Spirale herauszuführen. Als günstig hat sich gezeigt, wenn beim Herausführen des Drah tes nach den Patentansprüchen 6 oder 7 verfahren wird. Im letzteren Fall wirken die hinzukommenden Kräfte z. T. gegen die Expansionskraft und außerdem wird die azimutale Be wicklung der Spule mit der Para-Aramid-Faser nur wenig gestört.With resin-impregnated glass fiber wrapping of the wire and egg ner winding of the coil with resin-impregnated para-aramid Fiber can provide the required stability of a single layer Coil regarding the axial pressure forces between the win and radial expansion forces. Difficulties arise at the coil ends because here more complicated distributions when pulling out the wire of magnetic pressure occur. By skillful Wire guidance can be achieved that the additional Forces the durability of the spool only slightly or not at all affect. It would be wrong to put the wire in the plane lead out a final turn in the form of a spiral. When It has been shown to be favorable when the wire is brought out tes is proceeded according to claims 6 or 7. in the the latter case, the additional forces act z. T. against the expansion force and also the azimuthal Be winding the spool with the para-aramid fiber only a little disturbed.

Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Spule bei einem indu striellen Fertigungsprozeß ist wegen der kurzen Taktzei ten eine Kühlung der Spule notwendig.When using the coil according to the invention in an indu strial manufacturing process is because of the short cycle time cooling of the coil was necessary.

Die Verwendung einer Kupferkapillare als Spulendraht, durch die eine Kühlflüssigkeit strömt, ist nur bei Magnet feldern die wenig höher als 10 Tesla sind möglich und auch dann ist die Lebensdauer der Spule sehr eingeschränkt, weil der Kühlkanal im Laufe der Zeit zusammengequetscht wird.The use of a copper capillary as coil wire, through which a coolant flows is only with magnet fields that are slightly higher than 10 Tesla are possible and also then the life of the coil is very limited, because the cooling channel squeezed over time becomes.

Die erfindungsgemäße Spule braucht an der Fläche, an der das stärkste Magnetfeld auftritt, - bei einer einlagigen zylindrischen Kompressionsspule ist das die Innenfläche - nicht armiert zu werden. Bei einer Kompressionsspule kön nen die Innenflächen der Drahtwindungen sogar freigelegt sein; lediglich zwischen den Windungen muß sich eine druckfeste isolierende Schicht befinden. Eine solche Spule kann z. B. durch einen Luftstrom, der in den Taktpausen durch die Spule geleitet wird, gekühlt werden. Bringt man einen Kühlkanal entsprechend Patentanspruch 9 an, so kann durch diesen z. B. ein Isolieröl als Kühlmittel fließen.The coil of the invention needs on the surface on which the strongest magnetic field occurs - with a single layer cylindrical compression coil this is the inner surface - not to be armored. With a compression coil the inner surfaces of the wire windings are even exposed his; only between the turns there has to be one pressure-resistant insulating layer. Such a coil can e.g. B. by an air flow in the intervals passed through the coil are cooled. You bring it a cooling duct according to claim 9, so through this z. B. an insulating oil flow as a coolant.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß trotz geringen Drahtquerschnitts in der Größenordnung von 1 mm² standfe ste Spulen realisiert werden können, mit denen gleiche magnetische Feldstärken und damit gleiche magnetische Drücke erzeugt werden können wie mit den bisherigen Ar beitsspulen für die schnelle magnetische Umformung. Größe, Gewicht und Herstellungskosten der Spulen sind drastisch reduziert. Wegen des weiten möglichen Induktivitätsbe reichs lassen sich die erfindungsgemäßen Spulen optimal an die Kondensatorbatterie anpassen. Die ersten Erfahrungen bei der magnetischen Kompression von Aluminiumrohren haben gezeigt, daß zur Erzielung gleicher Wirkung wie mit den bisherigen Spulen nur 1/20 der in der Kondensatorbatterie gespeicherten Energie benötigt wird. Auch beim Vergleich mit den Einschußspulen ist die Erhöhung der Wirkung ähn lich hoch, da bei den Einschußspulen die meiste Energie für die Explosion der Spule verbraucht wird; die erfin dungsgemäße Spule dagegen nimmt wegen ihrer hochfesten Panzerung keine Bewegungsenergie auf.The advantage of the invention lies in the fact that despite small Wire cross section in the order of 1 mm² standing most coils can be realized with the same magnetic field strengths and thus the same magnetic Pressures can be generated as with the previous Ar processing coils for fast magnetic forming. Size, Weight and manufacturing cost of the coils are drastic reduced. Because of the wide possible inductance The coils according to the invention can be optimally rich adjust the capacitor bank. The first experiences in the magnetic compression of aluminum pipes shown that to achieve the same effect as with the previous coils only 1/20 of those in the capacitor bank stored energy is needed. Even when comparing with the bullet coils the increase in effect is similar Lich high, because the bullet coils have the most energy is consumed for the explosion of the coil; the invent however, coil according to the invention takes because of its high strength Armor has no kinetic energy.

Die erfindungsgemäße Mehrwindungsspule ist in Form von einlagigen und mehrlagigen Kompressionsspulen, von Flach spulen und ein- und mehrlagigen Expansionsspulen erfol greich erprobt worden.The multi-turn coil according to the invention is in the form of single-layer and multi-layer compression coils, from flat coils and single and multi-layer expansion coils successful has been tried out.

Claims

1. Multi-turn coil for generating strong Magnetfeldim pulse above 10 Tesla, characterized in that the conductor wire has low mechanical strength and a relatively small cross-section and is encapsulated in a fiber composite material of high mechanical strength so that even when the conductor wire metal flows, caused by the high magnetic pressure of several hundred MPa of the generated magnetic field pulse, the function of the coil is not affected.

2. Multi-turn coil according to claim 1, characterized characterized in that the conductor wire has a rectangular shape Cross section.

3. Multi-turn coil according to claim 2, characterized characterized in that the wider areas of the wire cross cut parallel in a winding layer, d. H. that e.g. B. in a single-layer solenoid, the conductor wire is wound upright.

4. Multi-turn coil according to one of the preceding Claims, characterized in that the radial on the Coil forces absorbed by a reinforcement which is wrapped azimuthally around the coil and made of egg ner fiber high tensile strength, e.g. B. Para-aramid fiber (KEVLAR) and / or fiber.

5. Multi-turn coil according to claim 4, characterized characterized that act between the conductor wires de force is absorbed by a pressure-resistant reinforcement, e.g. B. an impregnated glass fiber matrix.

6. Multi-turn coil according to one of the preceding Claims, characterized in that at the coil ends the conductor wire is bent at least at right angles.

7. Multi-turn coil according to claim 6, characterized characterized in that the multi-turn coil has a single layer Solenoid is and the conductor wire at right angles in ra the direction is bent and within the reinforcement again at right angles in the axial direction towards the coil is bent.

8. Multi-turn coil according to one of the preceding Claims, characterized in that the area of the Coil on which the strongest magnetic field is generated only we little or not armored at all.

9. Multi-turn coil according to claim 8, characterized characterized that the coil surface on which the strongest Magnetic field is generated is provided with a cooling channel, e.g. B. that with a single-layer solenoid the little or non-reinforced inner surface with a coaxial thin wall gene is provided insulation tube and through the gap between Isolation tube and coil inner surface a coolant flows.