EP1808869A2 - Elektromagnet aus temperaturbeständigem Material - Google Patents

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EP1808869A2
EP1808869A2 EP06023805A EP06023805A EP1808869A2 EP 1808869 A2 EP1808869 A2 EP 1808869A2 EP 06023805 A EP06023805 A EP 06023805A EP 06023805 A EP06023805 A EP 06023805A EP 1808869 A2 EP1808869 A2 EP 1808869A2
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EP
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coil
wire
electromagnet
bobbin
central passage
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EP06023805A
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Hans-Jörg Brinkmann
Gerald Fast
Michael Hesselschwerdt
Ralph Vollmer
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00—Coils
    • H01F5/02—Coils wound on non-magnetic supports, e.g. formers
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00—Coils
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/323—Insulation between winding turns, between winding layers

Definitions

  • the invention relates to an electromagnet in the form of a solenoid, the coil body and the wound thereon from an electrically insulated wire coil made of temperature-resistant material.
  • the electromagnet is a solenoid and for working in environments with higher. Temperatures, for example, more than 100 ° C, provided.
  • the solenoid surrounds the conduit section of a fluid-carrying conduit, in which a closable and openable mechanism is seated, which closes or opens the conduit via a magnetic field acting on it, or vice versa.
  • the solenoid together with this line section form a solenoid valve.
  • magnetic coils or electromagnets are known for circuit production of magnetic fields whose copper wire winding consist of superposed winding layers, wherein the coil wire has a lacquer layer for the electrical insulation of adjacent wire windings.
  • lacquer-coated coil wires can still be used, moreover, such an electrically insulating lacquer layer begins to thermally decompose.
  • the structure could be simplified constructively, if solenoid valves could be operated easily at temperatures above 200 ° C to about 600 ° C. Electromagnets that can be operated in such temperature ranges are not available. Therefore, the task of developing a solenoid in a solenoidal design and with a central passage and to provide, not to plant engineering areas with to provide an additional thermo-technical, economically expensive effort.
  • the object is achieved by an electromagnet having the characterizing features of claim 1.
  • the electromagnet is a solenoid and at temperatures up to 600 ° C in two states, the magnetic field generating and the magnetic fieldless, displaceable.
  • the bobbin is made of a non-magnetic metal or a ceramic or quartz glass.
  • the electromagnet has a free central passage.
  • the temperature environment up to 600 ° C, the coil wire has to endure unaffected and is therefore about from Eloxaldraht, an el ektrisch ox id striv Al uminiumdraht whose oxide layer electrically insulated to the environment, or from a sheathed with glass fiber metal wire.
  • the bobbin consists of a dimensionally stable in the operating temperature range stainless steel or brass or a non-magnetic metal alloy.
  • the ceramic bobbin material may be made of a silicon-based ceramic in particular aluminum silicate or magnesium silicate or of an oxide ceramic, in particular aluminum oxide.
  • These materials are for ceramization in their Geometry preformable that the final dimension is achieved at least with tolerable tolerance, on the other hand, they are also machinable, such as cutting or grinding.
  • quartz glass because of its very good temperature resistance. However, problematic in the exact final machining, because then only accessible via diamond grinding, but justified for special solutions to problems in the effort.
  • the clear cross-section of the free central passage through the bobbin is round and the cross-sectional edge has at each point a directed from inside to outside radius of curvature.
  • the simplest shapes are the circle and the ellipse or an oval shape. Slightly more elaborate shapes are polygonal shapes with rounded corners so overall convex, smooth shapes.
  • the clear cross section of the free central passage may be polygonal, at least triangular. All clear, simple convex cross-sectional shapes other than the circular are non-rotating.
  • the coil base extends in both cases, the round and polygonal clear cross-section, around the free central passage with wall formation and has an always outwardly directed radius of curvature such that the smallest radius of curvature is at least equal to the smallest allowable bending radius of the coil base to be wound on the coil wire ,
  • care must be taken to ensure that the coil wire does not experience any kinking at any point, since on the one hand the insulation layer or the insulation jacket is at least impaired, if not even broken up.
  • the metal structure of the coil wire can be changed and thus the electrical conductivity can be reduced, if not even a wire break occurs.
  • An electromagnet constructed in this way, a built-up solenoid, an electric coil constructed in this way reliably penetrates temperature environments up to 600 ° C in continuous operation.
  • the very thin insulation layer in particular in the case of the winding wire made of anodized, permits a high winding density in the coil and thus a minimum coil volume. The required strong magnetic field even at the highest operating temperature of 600 ° C is safely reached and maintained.
  • the simplest embodiment of the electromagnet is a circular cylindrical solenoid with magnetachsenspecificm passage and circular light width. This situation is exemplified in the single figure for description.
  • the solenoid is shown in an axial section, in the end view and in perspective, the bobbin used, here aluminum silicate, is dimensioned in the sectional view.
  • the coil consists of 12 layers and 13 turns per layer.
  • the coil wire used is anodized and is preferably in the wire diameter range of about o, 5 mm to 1 mm.
  • the electrical coil was tested during installation in an electromagnetically switchable 2/2-way valve.
  • the commercially installed coil was replaced by the thermally much more resilient coil.
  • the thermal expansion coefficient Aluminum causes a length expansion of up to 1.5% in the temperature range up to 600 ° C, but this did not lead to any problems. Pulse wise, the coil was easily operated at a switching frequency up to 10 Hz with a peak current of 3A for 20 msec each.
  • the anodized wire was carefully tensioned, i. kink- and unbreakable, wound on the bobbin.
  • the tensile stress at which the oxide layer begins to crack was determined experimentally in order to keep the tension under the winding of the coil safely underneath.
  • glass-fiber-coated nickel wire was tested as a coil wire, not as a solenoid valve coil, but in an experiment as a transmitting and receiving coil, each on an aluminum silicate coil former.
  • This coil design was successfully tested up to the highest required ambient temperature.
  • the significantly higher resistivity of the Ni wire is known to be 65% higher than that of copper. This situation can be compensated by appropriate voltage setting, so that the necessary magnetizing current can be reliably driven by the coil.
  • electrically conductive metal materials such as copper, silver or other conductor alloys are not excluded as a coil wire. They are considered as a coil wire according to a specific task.

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Abstract

Ein Elektromagnet in solenoidaler Bauweise ist bei Temperaturen bis zu 600° C in zwei Zustände, den magnetfelderzeugenden und den magnetfeldlosen, wahlweise versetzbar. Der Spulenkörper ist aus betriebstemperaturbeständigem, nichtmagnetischem Metall oder einer Keramik oder aus Quarzglas und hat einen freien zentralen Durchgang. Der Spulendraht ist aus Eloxaldraht oder aus einem.mit Glasseide ummantelten Metalldraht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet in Form eines Solenoids, dessen Spulenkörper und die darauf aus einem elektrisch isolierten Draht aufgewickelte Spule aus temperaturbeständigem Material sind.
  • Der Elektromagnet ist ein Solenoid und für das Arbeiten in Umgebungen mit höheren. Temperaturen, beispielsweise mehr als 100°C, vorgesehen. Das Solenoid umgibt den Leitungsabschnitt einer fluidführenden Leitung, in dem ein verschließ- und öffenbarer Mechanismus sitzt, der über ein auf ihn wirkendes Magnetfeld die Leitung verschließt oder öffnet oder umgekehrt. Das Solenoid zusammen mit diesem Leitungsabschnitt bilden ein Magnetventil.
  • Aus verfahrenstechnischen Anlagen sind zur schaltungstechnischen Erzeugung von Magnetfeldern Magnetspulen oder Elektromagnete bekannt, deren Kupferdrahtwicklung aus übereinander liegenden Wicklungslagen bestehen, wobei der Spulendraht zur elektrischen Isolation anliegender Drahtwicklungen eine Lackschicht besitzt. In Betriebssituationen bis etwa 200°C können solche lackbeschichteten Spulendrähte noch verwendet werden, darüber hinaus beginnt sich eine solche elektrisch isolierende Lackschicht thermisch zu zersetzen.
  • In einer speziellen verfahrenstechnischen Einrichtung ließe sich der Aufbau konstruktiv vereinfachen, wenn Magnetventile bei Temperaturen über 200°C bis etwa 600°C problemlos betrieben werden könnten. Elektromagnete, die in solchen Temperaturbereichen betrieben werden können, sind nicht erhältlich. Deshalb stellte sich die Aufgabe, einen Elektromagneten in solenoidaler Bauweise und mit zentralem Durchgang zu entwickeln und bereit zu stellen, um anlagentechnische Bereiche nicht mit einem zusätzlichen thermotechnischen, wirtschaftlich teuren Aufwand versehen zu müssen.
  • Die Aufgabe wird durch einen Elektromagneten, der die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Elektromagnet ist ein Solenoid und bei Temperaturen bis zu 600° C in zwei Zustände, den magnetfelderzeugenden und den magnetfeldlosen, versetzbar. Um eine solche betriebliche Temperaturumgebung auszuhalten, ist der Spulenkörper aus einem nichtmagnetisclien Metall oder aus einer Keramik oder aus Quarzglas gefertigt. Als Baukomponente im Zusammenwirken mit andern Komponenten hat der Elektromagnet einen freien zentralen Durchgang. Die Temperaturumgebung bis 600°C hat auch der Spulendraht unbeeinflusst auszuhalten und ist deshalb etwa aus Eloxaldraht, einem elektrisch oxidierten Aluminiumdraht, dessen Oxidschicht zur Umgebung hin elektrisch isoliert, oder aus einem mit Glasseide ummantelten Metalldraht. In beiden Fällen sind auf dem Spulendraht dünne elektrische Isolationsschichten herstellbar, so dass der auf den Spulenkörper zur Spule gewickelte Draht mit einer hohen Packungsdichte gewickelt werden kann. Dadurch kann mit beschränktem Elektromagnet-/Solenoidvolumen entlang der und um die Magnetfeldachse ein genügend starkes Magnetfeld zur sicheren Ventilbetätigung erreicht werden.
  • In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen beschrieben und spezifiziert. Nach Anspruch 2 besteht der Spulenkörper aus einem im Betriebstemperaturbereich formstabilen Edelstahl oder Messing oder einer nichtmagnetischen Metalllegierung. Vorzugsweise aus mit Drehautomaten oder Zieheinrichtungen bearbeitbarem Material.
    Alternativ, wegen sicherer elektrischer Isolationsfestigkeit, kann das keramische Spulenkörpermaterial aus einer auf Silizium basierenden Keramik insbesondere Aluminiumsilikat oder Magnesiumsilikat oder aus einer Oxidkeramik insbesondere Aluminiumoxid sein. Diese Materialien sind zur Keramisierung in ihrer Geometrie derart vorformbar, dass das Endmaß zumindest mit tolerabler Toleranz erreicht wird, andrerseits sind sie auch maschinenbearbeitbar, etwa spanabhebend oder schleifend. Ebenfalls alternativ ist Quarzglas wegen seiner sehr guten Temperaturbeständigkeit. Problematisch jedoch in der genauen Endmaßbearbeitung, weil dann nur noch über Diamantschleifen zugänglich, aber für spezielle Problemlösungen im Aufwand gerechtfertigt.
  • Nach Anspruch 3 ist der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs durch den Spulenkörper rund und der Querschnittsrand hat an jeder Stelle einen von innen nach außen gerichteten Krümmungsradius. Die einfachsten Formen dazu sind der Kreis und die Ellipse oder eine ovale Form. Etwas aufwändigere Formen sind polygonale Formen mit abgerundeten Ecken also insgesamt einfach konvexe, glatte Formen. Alternativ kann der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs polygonal, mindestens dreieckig sein. Alle lichten, einfach konvexen Querschnittformen außer der kreisrunden sind verdrehsicher. Der Spulengrund verläuft in beiden Fällen, dem runden und polygonal lichten Querschnitt, rund um den freien zentralen Durchgang unter Wandbildung und hat einen stets nach außen gerichteten Krümmungsradius derart, dass der kleinste Krümmungsradius mindestens gleich dem kleinsten zulässigen Biegeradius des auf den Spulengrund zu wickelnden Spulendrahtes ist. Beim Spulenwickeln muss strikt darauf geachtet werden, dass der Spulendraht an keiner Stelle einen Knick erfährt, da dort einerseits die Isolationsschicht bzw. der Isolationsmantel zumindest beeinträchtigt wird, wenn nicht sogar gleich aufbricht. Andrerseits kann das Metallgefüge des Spulendrahtes verändert und damit die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt sein, wenn nicht sogar ein Drahtbruch zustande kommt.
  • Zur örtlichen Führung/Beschränkung des Magnetfeldes außerhalb des Elektromagneten kann dieser nach außen hin mit einer Hülse aus magnetisierbarem Material, üblicherweise Weicheisen, ummantelt sein, unter Umständen zusätzlich noch an den freien Stirnseiten (Anspruch 4).
  • Ein so aufgebauter Elektromagnet, aufgebautes Solenoid, eine so aufgebaute Elektrospule steht Temperaturumgebungen bis 600°C in Dauerbetrieb sicher durch. Die sehr dünne Isolationsschicht insbesondere beim Wicklungsdraht aus Eloxal lässt eine hohe Wicklungsdichte bei der Spule und damit ein minimales Spulenvolumen zu. Das erforderlich starke Magnetfeld auch bei höchster Betriebstemperatur von 600°C wird sicher erreicht und gehalten.
  • Das einfachste Ausführungsbeispiel des Elektromagneten ist ein kreiszylinderförmiges Solenoid mit magnetachsenzentralem Durchgang und kreisförmig lichter Weite. Diese Situation ist in der einzigen Figur zur Beschreibung beispielhaft dargestellt. Das Solenoid ist in einem axialen Schnitt, in der Stirnansicht und perspektivisch dargestellt, der verwendete Spulenkörper, hier aus Aluminiumsilikat, ist im Schnittbild bemaßt. Die Spule besteht beispielhaft aus 12 Lagen und 13 Windungen pro Lage. Der verwendete Spulendraht ist aus Eloxal und liegt vorzugsweise im Drahtdurchmesserbereich von etwa o,5 mm bis 1 mm.
  • Die Erprobung der elektrischen Spule erfolgte beim Einbau in ein elektromagnetisch schaltbares 2/2-Wegeventil. Die kommerziell eingebaute Spule wurde durch die thermisch sehr viel höher belastbare Spule ersetzt. Bei der Erprobung der mit einem Eloxaldraht gewickelten Spule im Spulenkörper aus Aluminiumsilikat nahm der ohmsche Widerstand des Spulendrahtes erwartungsgemäß zu, und zwar linear mit der Temperatur. Um den magnetfelderzeugenden Strom durch den Spulendraht beizubehalten, wurde die treibende Spannung über eine einstellbare Spannungsquelle entsprechend angehoben. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminium bewirkt im Temperaturbereich bis 600°C eine Längenausdehnung von bis zu 1,5%, das führte aber zu keinen Problemen. Pulsmäßig wurde die Spule problemlos mit einer Schaltfrequenz bis zu 10 Hz mit einem Dachwert des Stromes von 3A jeweils 20 msec lang betrieben.
  • Der Eloxaldraht wurde unter Zugspannung sorgfältig, d.h. knick- und bruchstellenfrei, auf den Spulenkörper gewickelt. Hierzu wurde die Zugspannung, bei der die Oxidschicht beginnt zu reißen, experimentell ermittelt, um die Zugspannung bei der Wicklung der Spule sicher drunter zu halten.
  • Alternativ zum Eloxaldraht wurde glasfaserummantelter Nickeldraht als Spulendraht untersucht, und zwar nicht als Magnetventilspule sondern in einem Experiment als Sende- und Empfangsspule jeweils auf einem Aluminiumsilikatspulenkörper. Auch dieser Spulenaufbau wurde erfolgreich bis zu der höchsten geforderten Umgebungstemperatur getestet. Der wesentliche höhere spezifische ohmsche Widerstand des Ni-Drahtes ist bekannt, im Vergleich zu Kupfer um 65% höher. Diese Situation ist durch entsprechende Spannungseinstellung kompensierbar, so dass der notwendige Magnetisierungsstrom durch die Spule zuverlässig getrieben werden kann.
  • Andere elektrisch leitende Metallmaterialien, wie Kupfer, Silber oder sonstige Leiterlegierungen, sind als Spulendraht nicht ausgeschlossen. Sie werden anhand einer speziell gestellten Aufgabe als Spulendraht je nach dem in Betracht gezogen.

Claims (4)

  1. Elektromagnet, bestehend aus einem Solenoid, dessen Spulenkörper und die darauf aus einem elektrisch isolierten Draht aufgewickelte Spule aus temperäturbeständigen Material sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass:
    der Elektromagnet ein Solenoid ist und bei Temperaturen bis zu 600° C in zwei Zustände, den magnetfelderzeugenden und den magnetfeldlosen, versetzbar ist,
    der Spulenkörper aus:
    einem nichtmagnetischen Metall oder
    aus Keramik oder
    aus Quarzglas ist
    und einen freien zentralen Durchgang hat,
    der Spulendraht aus Eloxaldraht oder ein mit Glasseide ummantelter Metalldraht ist.
  2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper aus:
    einem im Betriebstemperaturbereich formstabilen Edelstahl oder Messing oder einer Metalllegierung ist,
    oder einer auf Silizium basierenden Keramik insbesondere Aluminiumsilikat oder Magnesiumsilikat ist,
    oder einer Oxidkeramik insbesondere Aluminiumoxid ist.
  3. Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs durch den Spulenkörper rund ist und der Querschnittsrand an jeder Stelle einen von innen nach außen gerichteten Krümmungsradius hat
    oder der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs polygonal, mindestens dreieckig ist
    und der Spulengrund in beiden Fällen um den freien zentralen Durchgang unter Wandbildung verläuft sowie rund ist und einen stets nach außen gerichtetem Krümmungsradius hat,
    wobei der kleinste Krümmungsradius mindestens gleich dem kleinsten zulässigen Biegeradius des auf den Spulengrund zu wickelnden Spulendrahtes ist.
  4. Elektromagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper zur räumlich beschränkten Führung des magnetischen Flusses zusätzlich mit einer Hülse aus magnetisierbarem Material gekapselt sein kann.
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