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Dokumentenidentifikation DE3784564T2 12.08.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0251321
Titel Eisenkern für Elektromagnet und Verfahren zur Herstellung.
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Asano, Katsuhiko, Hitachi-shi, JP;
Hashimoto, Hiroshi, Hitachi-shi, JP
Vertreter Beetz, R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Timpe, W., Dr.-Ing.; Siegfried, J., Dipl.-Ing.; Schmitt-Fumian, W., Prof. Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Mayr, C., Dipl.-Phys.Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Aktenzeichen 3784564
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 02.07.1987
EP-Aktenzeichen 871095428
EP-Offenlegungsdatum 07.01.1988
EP date of grant 10.03.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.08.1993
IPC-Hauptklasse H01F 7/20

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Eisenkern für einen Elektromagneten, der insbesondere zur Verwendung in einem Beschleuniger geeignet ist und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Eisenkerns.

Normalerweise ist ein Beschleuniger mit einem Ring zum Beschleunigen oder Speichern geladener Teilchenstrome ausgestattet. Dieser Ring weist einen Elektromagneten zum Ablenken der geladenen Teilchenstrahlen auf, und der Elektromagnet umfaßt eine Spule und einen Eisenkern, der aus gestapelten Stahlblechen besteht.

Herkömmlicherweise werden die zu stapelnden Stahlbleche in einer vorgegebenen Form ausgestanzt, oder sie werden spanabhebend bearbeitet, um eine Nut in ihnen vorzusehen und in diesem Zustand wird die gewünschte Genauigkeit wird erzielt. Danach werden die gestanzten Stahlbleche mit Hilfe einer Stapelvorrichtung gestapelt. Die gestapelten Stahlbleche werden gepreßt und verformt oder der Stapellängenunterschied wird korrigiert. Nach all diesen Schritten werden die Bleche verschweißt oder verklebt, um ein Eisenkernstück zu bilden.

Ein Eisenkernabschnitt wird durch Stapeln der erforderlichen Anzahl gestanzter Stahlbleche, von denen jedes derart geformt ist, daß es einen im wesentlichen C- förmigen Querschnitt vorsieht und eine Nut aufweist, in einer Richtung des Ablenkwinkels der geladenen Partikelstrahlen oder am Umfang hergestellt. Danach werden die gestapelten Bleche durch Schweißbördel durch die Endplatten und die Seitenplatten einstückig zusammengeschweißt. Die Abschnittsform des Eisenkernabschnitts ist hinsichtlich einer horizontalen Achse symmetrisch. Im Eisenkernabschnitt entstehen wegen des Längenunterschieds des äußeren und des inneren Bogens, wenn Stahlbleche in Richtung des Ablenkwinkels oder am Umfang gestapelt werden, Lücken in seinem äußeren Umfangsabschnitt. Aus diesem Grund werden gewöhnlich Stahlabstandshalter in diese Lücken eingefügt. Das Stahlblech weist übrigens in Abhängigkeit von der Leistungsfähigkeit des Walzwerks an seinen Enden eine kleinere Dicke auf. Diese Dickenabweichungen werden "Kantentropfen" genannt. Aus diesem Grunde werden besonders bei einem Eisenkern mit einem breiteren Abschnitt Lücken an den Enden des Eisenkerns dann erzeugt, wenn Stahlbleche in der Richtung des Ablenkwinkels geladener Elektronenstrahlen oder in Umfangsrichtung gestapelt werden. Daher werden auch in diesem Teil die Stahlblechabstandhalter in den Lücken eingefügt. In einem breiteren Teil der Nut sind Spulen angeordnet, und ein Strahlkanal ist in einem schmaleren Teil der Lücke angeordnet und dient als Bahn für die geladenen Partikelstrahlen.

In der oben angegebenen Anordnung können jedoch die an den Enden des Eisenkerns erzeugten Lücken wegen der Dickenabweichung nicht vollständig beseitigt werden, Sogar dann nicht, wenn diese Lücken dadurch verkleinert werden, daß Stahlblechabstandhalter eingefügt werden.

Insbesondere ist es unmöglich, mit den Stahlabstandhaltern die Lücken vollständig auszufüllen, die im Inneren eines Eisenkernabschnitts eines Elektromagneten entstanden sind. Das ist so, weil die Form einer Lücke je nach den Produktionsbedingungen usw. kompliziert ist, so daß es praktisch unmöglich ist, den Abstandhalter derart spanend zu bearbeiten, daß er die Form der Lücke annimmt. Deshalb können diese Lücken nicht vollständig mit den Abstandhaltern ausgefüllt werden, wodurch im Ergebnis ein Eisenkern mit einer geringen Dichte hergestellt wird.

Des weiteren werden beim herkömmlichen Eisenkern die Stahlbleche nach dem Abschluß aller Bearbeitungsschritte (Ausbildung von Nuten und allgemeines spanabhebendes Bearbeiten) zum einstückigen Eisenkern integriert. Daher entsteht beim Eisenkern infolge der beim Schweißen entwickelten Wärme aufgrund dieser Einfügung eine Verformung. Eine Nut, die vorher bearbeitet wurde, weist eine geringe Festigkeit auf, und diese Verformung ist besonders stark, wenn diese Nut der Wärme ausgesetzt wird. Dasselbe geschieht, wenn Lücken vorhanden sind.

Insbesondere, wenn diese Eisenkerne in einem Beschleuniger verwendet werden, wird durch eine geringere Präzision die Bahn der geladenen Partikelstrahlen instabil, wenn der oben beschriebene Defekt im Eisenkern des Elektromagneten auftritt, weil der gebogene Elektromagnet die wichtige Funktion hat, daß er die Bahn der sich im Beschleuniger bewegenden geladenen Teilchenstrahlen lenkt. Des weiteren verursacht eine verminderte Dichte des Eisenkerns Probleme, wie beispielsweise den Verlust der Magnetkraft (Genauigkeit und Größe eines durch den Eisenkern erzeugten Magnetfelds).

EP-A-160 121 offenbart einen Eisenkern für einen Elektromagneten, der einen Stapel einzelner Stahlbleche umfaßt, die eine Abschnittsform aufweisen, die in Bezug auf eine horizontale Achse symmetrisch ist. Dieser Stapel umfaßt eine Nut mit einer spezifischen Form im Kern. Diese Nut erstreckt sich über die Stapelachse der gestapelten Bleche, wodurch es schwierig ist, die Nut des Kerns spanend zu bearbeiten, um die gewünschte Genauigkeit zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung ist daher derart ausgeführt, daß sie eine leichte Herstellung eines Eisenkerns für einen Elektromagneten vorsieht, der aus gestapelten Stahlblechen hergestellt ist, der keine Lücke aufweist, so daß er eine hohe Dichte vorsieht, und der nicht durch Hitze beeinflußt wird, wenn die Stahlbleche einstückig miteinander verschweißt werden.

Die Aufgabe wird mit Hilfe einer Kernanordnung, wie im anliegenden Anspruch 1 definiert, und mit Hilfe eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Kerns gelost, wie im anliegenden Anspruch 4 definiert. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen definiert.

Da der Eisenkern eines Elektromagneten in Übereinstimmung mit der Erfindung durch Stapeln mehrerer Stahlbleche senkrecht zur horizontalen Achse hergestellt wird, entstehen keine Lücken, sogar dann nicht, wenn der Eisenkern die Form eines Abschnitts aufweist, so daß eine hohe Dichte erreicht wird. Weil die Nutenbildung als letzter Schritt nach dem Stapeln und dem Integrieren einer angegebenen Anzahl von Stahlblechen erfolgt, ist keine Nut vorhanden, wenn das Schweißen und andere Bearbeitungsschritte ausgeführt werden, um die gestapelten Stahlbleche zu einem einstückigen Kernsegment auszubilden, so daß der Eisenkern eine ausreichende Festigkeit aufweist und nicht durch Wärme usw. verformt wird.

Die obige und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Draufsicht, die einen Eisenkernabschnitt eines Elektromagneten in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine Teilansicht längs der Linie I-I von Mol-%1;

Fig. 3A bis 3H sind perspektivische Darstellungen, die den Herstellungsprozeß des Eisenkernabschnitt zeigen;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht, die einen rechtwinkligen Eisenkern eines Elektromagneten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 5 ist eine Teilansicht längs der Linie V-V von Mol-%4;

Fig. 6 ist eine Draufsicht in Richtung der Linie VI-VI von Fig. 4 und

Fig. 7A bis 7E sind perspektivische Darstellungen, die den Herstellungsprozeß des rechtwinkligen Eisenkerns der Fig. 4 bis 6 zeigen.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist ein Eisenkernabschnitt eines Elektromagneten aus einem Stapel von Stahlblechen 1 hergestellt und weist einen im wesentlichen C-förmigen Querschnitt und eine Nut 5 auf. Die Querschnittsform des Eisenkerns 6 ist in Bezug auf eine horizontale Achse (Linie O-O' in Fig. 2) Symmetrisch. Eine Spule 9 ist in einem breiteren Teil der Nut 5 angeordnet und ein Strahlkanal ist in einem engeren Teil der Nut angeordnet und dient als Bahn für geladene Partikelstrahlen. Endplatten 2 und Seitenplatten 3 sind auf dem Umfang des Eisenkerns 6 angeordnet und die Stahlbleche 1 sind einstückig miteinander durch Schweißbördel 4 durch die Endplatten 2 und die Seitenplatten 3 verschweißt. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkernabschnitt 6 durch Aufstapeln mehrerer Stahlbleche 1 aufeinander, wobei sich jedes Blech senkrecht zur horizontalen Achse erstreckt, gebildet wird.

Als nächstes wird das Herstellungsverfahren des Eisenkerns 6 im folgenden unter Bezug auf die Fig. 3A bis 3H beschrieben.

Zunächst werden mehrere rechtwinklige Stahlbleche 1 (in Fig. 3A gezeigt) derart gestapelt, wie in Fig. 3B gezeigt, und dann zu einer Kernhälfte zusammengesetzt, die ein rechtwinkliges Parallelepipedon, wie in Fig. 3C gezeigt, darstellt. Seitenplatten 3 werden auf einer oberen Fläche der Kernhälfte durch Schweißbördel 4, wie in Fig. 3D gezeigt, angebracht und alle diese Stahlbleche 1 werden zur Spanenden Bearbeitung integriert.

Danach werden, wie in Fig. 3E gezeigt, die beiden Seiten der Kernhälfte spanend bearbeitet, um Kurvenflächen auszubilden und die beiden Enden derselben werden ebenfalls spannend bearbeitet, um Endflächen auszubilden, die sich in Richtung auf eine zentrale Achse eines Sektors erstrecken, an der die Endplatten 2 angeordnet sind. Schließlich stellt die Eisenkernhälfte eine derartige Abschnittsform dar, wie in Draufsicht in Mol-%1 gezeigt. Wie in Fig. 3F gezeigt, werden die Seitenplatten 3 auch durch Schweißbördel 4 an diese gebogenen Flächen angeschweißt. In diesem Zustand wird ein Nutabschnitt 5' zur Anordnung der Spule 9 und des Strahlkanals 10 in der Eisenkernhälfte ausgebildet, wie in Fig. 3G gezeigt. Sodann wird eine weitere Eisenkernhälfte, die in der gleichen Weise wie oben beschrieben hergestellt wurde, ausgebildet und die zwei Eisenkernhälften werden über eine Verbindung 6a so miteinander abgestimmt, daß sie die Nut 5 dazwischen bilden und werden miteinander verbunden, um den Eisenkernabschnitt 6 zu bilden, wie in Fig. 3H gezeigt. Auf diese Weise wird der Eisenkernabschnitt 6 eines Elektromagneten mit einem im wesentlichen C-förmigen Querschnitt erzielt.

In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform sind, weil mehrere der Stahlbleche 1 senkrecht zur horizontalen Achse oder in einer radialen Richtung gestapelt sind, trotz eines Unterschieds des inneren und äußeren Umfangs des Eisenkernabschnitts 6, keine Lücken im Eisenkernabschnitt 6 vorhanden. Darüberhinaus entstehen keine Lücken an den Enden des Eisenkernabschnitts 6 aus den "Kantentropfen", weil die Enden des Stahlblechs 1 während der spanabhebenden Bearbeitung zur Ausbildung der Form eines Abschnitts entfernt werden. Daher kann der Eisenkern eine hohe Dichte erzielen und die Stahlabstandhalter, die früher verwendet worden sind, um die Lücken auszufüllen, sind unnötig geworden, so daß sowohl wirtschaftliche Vorteile erzielt werden, als auch die Arbeit erleichtert wird. Weil darüberhinaus der Endschritt der Nutenausbildung nach dem Zusammenfügen der Stahlbleche zu einem einstückigen Kern 6 erfolgt, werden beim Schweißen in Bezug-auf die Festigkeit keine schwächeren Abschnitte erzeugt. Es findet daher keine Verformung infolge von Wärme mehr statt, und die Nutenausbildung läßt sich mit einer hohen Genauigkeit durchführen. Somit können die Probleme der Genauigkeit eines durch den Eisenkern erzeugten Magnetfeldes und des Mangels an magnetischer Kraft, beispielsweise der Größe des Magnetfeldes, gelöst werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 4 bis 6 gezeigt.

Ein Eisenkern 16 eines Elektromagneten weist die Form einer rechtwinkligen Ebene auf und sieht eine Nut 25 eines H-förmigen Abschnitts vor. Im Eisenkern 16 sind die Stahlbleche 21 ebenfalls senkrecht zur horizontalen Achse (Linie O-O' in Fig. 5) gestapelt. Das Herstellungsverfahren dieses Eisenkerns 16 wird in Verbindung mit den Fig. 7A bis 7E beschrieben. Zunächst werden mehrere rechtwinklige Stahlbleche 21 (Fig. 7A) gestapelt, um eine Eisenkernhälfte eines rechtwinkligen Parallelepipedons zu bilden, wie in Fig. 7B gezeigt. Dann werden, wie in Fig. 7C gezeigt, die Endplatten 2 und die Seitenplatten 3 auf die Eisenkernhälfte aufgelegt, und die Stahlbleche 21 werden mit Hilfe der Schweißbördel 4 durch diese Platten 2, 3 zu einer einstückigen Kernhälfte zusammengeschweißt. Danach wird, wie in Fig. 7D gezeigt, eine Nuthälfte 25' durch Spanabhebende Bearbeitung in der Eisenkernhälfte ausgebildet. Eine weitere Eisenkernhälfte, die auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben, hergestellt wird, wird vorbereitet, und die beiden Eisenkernhälften werden miteinander in der horizontalen Achse (Linie O-O'), wie in Fig. 7E gezeigt, verbunden, so daß ein Eisenkern 16 eines Elektromagneten erzeugt wird, bei dem ein Abschnitt der Nut 25 beinahe eine H-Form aufweist.

Die Wirkung dieser zweiten Ausführungsform ist beinahe die gleiche wie die Wirkung der ersten Ausführungsform. Diese zweite Ausführungsform ist hinsichtlich des "Kantentropfens" besonders vorteilhaft, wenn die Länge des Eisenkerns, verglichen mit der Abschnittsbreite klein ist.

Übrigens wurden die oben angeführten Ausführungsformen derart beschrieben, daß beispielsweise ein Eisenkern eines Elektromagneten angegeben wurde, dessen Abschnitt eine C-Form aufweist, oder der eine H-förmige Nut aufweist. Zusätzlich zu diesen Typen gibt es den Typ eines Fensterrahmens, in dem die Nut sich im Zentrum des Abschnitts des Eisenkerns befindet. Darüberhinaus erfolgten die Beschreibungen der Eisenkerne entsprechend einer Draufsicht auf einen Abschnitt und auf eine rechtwinklige Form im Zusammenhang mit Eisenkernen, deren Abschnitt eine C-Form bzw. deren Nut eine H-Form aufweist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Eisenkerne beschränkt, und es kann für den Eisenkern eine beliebige Form gewählt werden. Darüberhinaus kann der Ablenkwinkel beim Eisenkernabschnitt des Elektromagneten 180 Grad betragen.


Anspruch[de]

1. Eisenkern für einen Elektromagnet, wobei der Kern (6; 16) aus zwei Kernhälften zusammengesetzt ist, die spiegelbildlich zueinander in bezug auf eine Horizontalebene angeordnet sind und jeweils mehrere Stahlbleche (1; 21) aufweisen, die entlang einer horizontalen Stapelachse jeweils aneinandergeschichtet sind, und wobei jedes Stahlblech (1; 21) in einer zur horizontalen Stapelachse senkrechten Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlbleche (1; 21) Formen aufweisen, die jeweils oder in Gruppen entlang der Stapelachse so voneinander abweichen, daß ein Innenraum (5; 25) gebildet wird, der von einer seitlich zur Stapelachse und in einer vertikalen Ebene liegenden Fläche zur anderen entsprechenden Fläche verläuft.

2. Eisenkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in Draufsicht kreissektorförmig ausgebildet ist und einen im wesentlichen C-förmigen Abschnitt oder eine H-formige Nut (25) aufweist, die den Innenraum bildet und

daß Seiten- und Endplatten (2, 3) an dessen Umfangsflächen angebracht sind, um die Stahlbleche (1) zusammen zu verschweißen und zu befestigen.

3. Eisenkern nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß er in Draufsicht rechteckig ausgebildet ist und einen im wesentlichen C-förmigen Abschnitt oder eine H-förmige Nut (25) aufweist, die den Innenraum bildet, und

daß Seiten- und Endplatten (2, 3) an dessen Umfangsflachen angebracht sind, um die Stahlbleche (21) zusammen zu verschweißen und zu befestigen.

4. Verfahren zur Herstellung eines Eisenkerns für einen Elektromagnet, wobei der Kern (6; 16) aus zwei Kernhälften zusammengesetzt ist, die spiegelbildlich zueinander in bezug auf eine Horizontalebene angeordnet sind und jeweils mehrere Stahlbleche (1, 21) aufweisen, die entlang einer horizontalen Stapelachse aneinandergeschichtet sind und wobei jedes Stahlblech (1; 21) in einer zur horizontalen Stapelachse senkrechten Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stahlbleche (1; 21) entlang einer Horizontalachse vertikal aneinandergeschichtet und integral befestigt sind, um ein rechtwinkliges Parallelepiped zu bilden, und

daß anschließend ein Zwischenraum (5'; 25') in den Stapel entlang einer horizontalen Ebene eingearbeitet wird, der von einer seitlichen Vertikalfläche zur anderen verläuft.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner aus jeder Kernhälfte in Draufsicht ein Kreissektor hergestellt wird, der gekrümmte Außenflächen und gegenüberliegende Enden aufweist, die auf eine Mittelachse des Kreissektors zulaufen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß ferner Seiten- und Endplatten (2, 3) auf den Umfangsflachen der in Draufsicht kreissektorförmigen Kernhälften angebracht und die Stahlbleche (1; 21) miteinander durch die Seiten- und Endplatten (2, 3) verschweißt werden.







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