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Dokumentenidentifikation DE4335935A1 27.04.1995
Titel Mehrwindungsspule zur Erzeugung starker Magnetfeldimpulse
Anmelder Beerwald, Hans, Dr., 44135 Dortmund, DE
Erfinder Beerwald, Hans, Dr., 44135 Dortmund, DE
DE-Anmeldedatum 21.10.1993
DE-Aktenzeichen 4335935
Offenlegungstag 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse H01F 7/20
IPC additional class // B21D 26/14  
Zusammenfassung Kleine, leichte Mehrwindungsspule zur Erzeugung von Magnetfeldimpulsen mit Flußdichten von 30 T. An die Festigkeit des Spulendrahtes mit einem vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt von wenigen mm2 werden keine Festigkeitsanforderungen gestellt, da der Spulendraht in einem harzgetränkten Fasermatrix-System eingepanzert ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Mehrwindungsspule zur Erzeugung starker Magnetfeldimpulse oberhalb von 10 Tesla, bei der magnetische Drücke von einigen hundert MPa auftreten.

Solche Magnetfeldspulen werden z. B. eingesetzt bei der schnellen magnetischen Umformung von elektrisch gut leitfähigen Metallen, insbesondere zum Fügen von Aluminiumrohren auf Metall-, Keramik- und Kunststoffkerne.

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.

Bei den vielen existierenden Spulenkonstruktionen wird stets eine hohe mechanische Festigkeit des Leitermaterials vorausgesetzt. Die Spulenwicklungen werden meist aus stabilem Rohrmaterial hergestellt, was eine einfache Wasserkühlung ermöglicht oder sie werden aus Vollmaterial gewöhnlich durch spanende Bearbeitung aus einem gegossenen, gepreßten oder gezogenen Rohling hergestellt. Zum Teil sind Spulen aus Stahl und kupferplattiertem Stahl konstruiert worden. Alle diese Konstruktionen erfordern relativ große geometrische Dimensionen der Spulen, da sonst die benötigte Festigkeit nicht erreicht werden kann. Als Isoliermaterial wird u. a. isolierharzgetränktes Glasfasergewebe benutzt. Dagegen haben sogenannte "Drahtspulen" (s. Winkler, Abschn. 5.2.3.1.) eine geringe mechanische Stabilität. Sie werden bereits bei der ersten Entladung zerstört (sogenannte Einschußspulen). Als Vorteile der Drahtspulen gelten jedoch:

  • - billige Herstellung
  • - weitgehende Anpassung der Spulenwicklung an das Werkstück
  • - gute magnetische Kopplung zwischen Spule und Werkstück.


Da kleine standfeste Mehrwindungsspulen für die Bearbeitung von Werkstücken mit Durchmessern in der Größenordnung von 1 cm nicht zur Verfügung stehen, muß auf größere Spulen zurückgegriffen werden, die dann mit einem Feldformer betrieben werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Realisierung einer standfesten Drahtspule, mit der magnetische Arbeitsdrücke von einigen hundert MPa erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß ein dünner Leiterdraht geringer mechanischer Festigkeit verwendet wird, der in einem Faserverbundwerkstoff hoher mechanischer Festigkeit so eingekapselt ist, daß auch bei Fließen des Leiterdrahtmetalles, verursacht durch den hohen magnetischen Druck von einigen hundert MPa des erzeugten Magnetfeldimpulses, die Funktion der Spule nicht beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, daß an die mechanische Festigkeit des Drahtes überhaupt keine Anforderung gestellt zu werden braucht, daß die Spule sogar mit einem Draht aus flüssigem Metall, z. B. Quecksilber funktionstüchtig wäre, wenn nur das Gehäuse die notwendige Festigkeit besitzt.

Mit Hilfe der Para-Aramid-Faser und der Glasfaser ist es möglich ein solch stabiles Gehäuse zu realisieren.

Um den Druck zwischen den Drahtwindungen zu reduzieren, ist es sinnvoll, einen Draht mit rechteckförmigem Querschnitt zu verwenden und ihn so zu wickeln, daß die breiteren Flächen des Drahtquerschnitts in einer Wicklungslage parallel liegen.

Mit harzgetränkter Glasfaserumwicklung des Drahtes und einer Umwicklung der Spule mit harzgetränkter Para-Aramid- Faser läßt sich die benötigte Stabilität einer einlagigen Spule bezüglich der axialen Druckkräfte zwischen den Windungen 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 Drahtes 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 Bewicklung der Spule mit der Para-Aramid-Faser nur wenig gestört.

Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Spule bei einem industriellen Fertigungsprozeß ist wegen der kurzen Taktzeiten eine Kühlung der Spule notwendig.

Die Verwendung einer Kupferkapillare als Spulendraht, durch die eine Kühlflüssigkeit strömt, ist nur bei Magnetfeldern 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.

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 können 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.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß trotz geringen Drahtquerschnitts in der Größenordnung von 1 mm² standfeste Spulen realisiert werden können, mit denen gleiche magnetische Feldstärken und damit gleiche magnetische Drücke erzeugt werden können wie mit den bisherigen Arbeitsspulen für die schnelle magnetische Umformung. Größe, Gewicht und Herstellungskosten der Spulen sind drastisch reduziert. Wegen des weiten möglichen Induktivitätsbereichs 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 ähnlich hoch, da bei den Einschußspulen die meiste Energie für die Explosion der Spule verbraucht wird; die erfindungsgemäße Spule dagegen nimmt wegen ihrer hochfesten Panzerung keine Bewegungsenergie auf.

Die erfindungsgemäße Mehrwindungsspule ist in Form von einlagigen und mehrlagigen Kompressionsspulen, von Flachspulen und ein- und mehrlagigen Expansionsspulen erfolgreich erprobt worden.


Anspruch[de]
  1. 1. Mehrwindungsspule zur Erzeugung starker Magnetfeldimpulse oberhalb von 10 Tesla, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterdraht geringe mechanische Festigkeit und einen relativ kleinen Querschnitt besitzt und in einem Faserverbundwerkstoff hoher mechanischer Festigkeit so eingekapselt ist, daß auch bei Fließen des Leiterdrahtmetalles, verursacht durch den hohen magnetischen Druck von einigen hundert MPa des erzeugten Magnetfeldimpulses, die Funktion der Spule nicht beeinträchtigt wird.
  2. 2. Mehrwindungsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterdraht einen rechteckförmigen Querschnitt besitzt.
  3. 3. Mehrwindungsspule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die breiteren Flächen des Drahtquerschnitts in einer Wicklungslage parallelliegen, d. h. daß z. B. bei einer einlagigen Zylinderspule der Leiterdraht hochkantig gewickelt ist.
  4. 4. Mehrwindungsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radial auf die Spule wirkenden Kräfte durch eine Armierung aufgefangen wird, die azimutal um die Spule gewickelt ist und aus einer Faser hoher Zugfestigkeit, z. B. Para-Aramidfaser (KEVLAR) und/oder Glasfaser besteht.
  5. 5. Mehrwindungsspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Leiterdrähten wirkende Kraft durch eine druckfeste Armierung aufgefangen wird, z. B. eine getränkte Glasfasermatrix.
  6. 6. Mehrwindungsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Spulenenden der Leiterdraht mindestens rechtwinklig abgebogen wird.
  7. 7. Mehrwindungsspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrwindungsspule eine einlagige Zylinderspule ist und der Leiterdraht rechtwinklig in radiale Richtung abgebogen ist und innerhalb der Armierung rechtwinklig in axiale Richtung zur Spule hin nochmals abgebogen ist.
  8. 8. Mehrwindungsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Spule, an der das stärkste Magnetfeld erzeugt wird nur wenig oder überhaupt nicht armiert ist.
  9. 9. Mehrwindungsspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenfläche, an der das stärkste Magnetfeld erzeugt wird mit einem Kühlkanal versehen ist, z. B. daß bei einer einlagigen Zylinderspule die wenig oder nicht armierte Innenfläche mit einem koaxialen dünnwandigen Isolierrohr versehen ist und durch den Spalt zwischen Isolierrohr und Spuleninnenfläche eine Kühlflüssigkeit strömt.






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