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Dokumentenidentifikation DE19645375A1 30.04.1998
Titel Elektromagnet mit äußerem Feldstärkefokus
Anmelder I.S.I.S. Ingenieur-Seminar für Invention und Systemplanung e.V., 12555 Berlin, DE
Erfinder Rindfleisch, Hans-Jochen, Dr.-Ing., 12559 Berlin, DE
Vertreter Treffurth, M., Dipl.-Jur., Pat.-Anw., 12621 Berlin
DE-Anmeldedatum 26.10.1996
DE-Aktenzeichen 19645375
Offenlegungstag 30.04.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse H01F 7/20
IPC-Nebenklasse H01F 7/16   B25B 27/00   
Zusammenfassung Die durch einen Wechselstrom bzw. impulsförmigen Strom hervorgerufenen magnetischen Kraftlinien sollen möglichst vollständig auf einen nichtferromagnetischen Wirkraum fokussiert werden, der sich in der Spulenachse außerhalb des magnetisch offenen Randes der Wicklungsanordnung befindet.
Es wird ein Elektromagnet mit einer Feldspule für wirbelstrominduzierte Feldsteuerung angegeben. Der Magnetkörper wird aus einem kreisscheibenförmigen Joch, einem die Feldspule umhüllenden zylindrischen Mantel und einem in die Feldspule eintauchenden zylindrischen Kern gebildet. Die Feldspule ist an ihren Mantelflächen und an einer offenen Stirnseite von einem zylindrischen, elektrisch leitenden Körper ganz oder teilweise eingehüllt, welcher aus zwei koaxialen Zylindern und einer kreisscheibenförmigen Bodenplatte besteht, wobei die koaxialen Zylinder und die Bodenplatte an einer jeweils gleichen Stelle ihres Umfangs radial und axial geschlitzt sind und in dem Schlitz eine elektrische Isolierung vorgesehen ist.
Der Elektromagnet kann überall dort Anwendung finden, wo die in dessen Feldstärkefokus erzeugte Kraft unmittelbar auf einen außerhalb des Elektromagneten befindlichen ferromagnetischen Körper übertragen werden soll.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit äußerem Feldstärkefokus, vorzugsweise für gepulsten Betrieb.

Elektromagneten werden verwendet für die Fern- bzw. zentrale Betätigung von elektrischen Schaltern, Ventilen, Lüftungsklappen und ähnlichen Steuerungsorganen mit alternierender Schließ-/Öffnungsfunktion. Sie besitzen eine zylindrische Feldwicklung, welche von einem aus magnetisch leitendem Material bestehenden Magnetkörper allseitig umschlossen ist. Dieser Magnetkörper besteht aus dem im zylindrischen Innenraum der Wicklung angeordneten Kern, den an den Stirnseiten der Wicklung befindlichen Jochen und dem am äußeren Umfang der Erregerwicklung angeordneten zylindrischen Mantel bzw. Rückschlußschenkel. Ein Teil des Magnetkörpers, der sogenannte Magnetanker, ist in Richtung der magnetischen Kraftlinien beweglich angeordnet. Er befindet sich an der Stelle des magnetischen Kreises, an welcher dieser durch einen Luftspalt, d. h. eine Strecke geringer magnetischer Leitfähigkeit, unterbrochen ist.

In dem durch den Luftspalt gebildeten Raum ist die bei elektrischer Erregung des Magnetkreises erzeugte magnetische Energie des Elektromagneten fokusartig konzentriert. Um einen Zustand möglichst geringer Energie einzunehmen, hat der Magnetkern das Bestreben, diesen Raum in Richtung der magnetischen Kraftlinien zu verkleinern, so daß auf den Anker eine entsprechende Kraft ausgeübt wird. Diese Kraft und die durch sie ausgelöste Bewegung des Ankers wird über Gestänge, Hebel oder ähnliche mechanische Mittel auf einen Schaltkontakt, einen Ventilhebel, eine Klappe oder andere Betätigungsorgane nach außen übertragen.

Bei allen bisher bekannten Elektromagneten befindet sich der Feldstärkefokus im Inneren eines geschlossenen Magnetkörpers bzw. innerhalb der Feldwicklung. Übliche Elektromagneten können daher nicht zum Einsatz gebracht werden, wenn die mechanische Übertragung der im Feldstärkefokus des Magneten erzeugten Kraft auf den außerhalb des Magneten befindlichen Körper nicht möglich ist, selbst wenn dieser ferromagnetische Eigenschaften besitzt.

Dies ist z. B. der Fall, wenn sich dieser Körper in einem hermetisch abgeschlossenen, evakuierten oder mit Gas gefüllten Raum in einer Umgebung außerhalb des Elektromagneten befindet. Auch die Manipulation eines mit einem ferromagnetischen Anker versehenen Katheders im menschlichen Körper - eine durchaus denkbare medizintechnische Anwendung magnetischer Kräfte - ist mit einem herkömmlichen Elektromagneten mit innerem Feldstärkefokus nicht möglich.

Die Extraktion von Nägeln aus Holzbalken - eine ökologisch wie auch wirtschaftlich interessante Anwendung magnetischer Kräfte - erforderte ebenfalls eine direkte Einwirkung des Elektromagneten auf den Nagel, wozu sich der Nagel selbst als außerhalb des Elektromagneten liegender Magnetanker im Feldstärkefokus des Elektromagneten befindet.

Eine durch einen impulsförmigen Strom erregte Induktionsspule, mit deren Hilfe stoßartig wirkende Zugkräfte auf Nägel, Stifte und dergleichen ausgeübt werden sollen, ist im DE Gebrauchsmuster 92 13 139.5 beschrieben. Sie weist an ihrem dem Nagel zugewandten Ende eine trichterförmige Erweiterung in Gestalt eines sich zum Nagel hin öffnenden Kegelstumpfes auf.

Um die fokusierende Wirkung des Nagels auf die magnetischen Kraftlinien zu erhöhen, besitzt die Induktionsspule keinen eigenen Magnetkörper.

Die Fokusierung der magnetischen Kraftlinien auf einen außerhalb der Induktionsspule liegenden Punkt wird erreicht, indem die Spule aus zwei auf der Kegelmantelfläche nebeneinander angeordneten Teilspulen aufgebaut ist, die gegensinnig durchflutet sind. Durch geeignete Aufteilung der Amperewindungszahlen und der Kegelmantelfläche auf die beiden Spulen entsteht zwischen den beiden Teilspulen ein kegelförmiges Magnetfeld, das durch Wahl des Öffnungswinkels des Spulenkegels mit seiner Spitze auf einen beliebigen Punkt des Nagelschaftes, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Nagelkopfes, fokusiert werden kann.

Wegen der quadratisch mit dem Abstand von den Spulenwindungen abnehmenden magnetischen Feldstärke ist jedoch trotz der Fokusierung des Magnetfeldes die erreichbare magnetische Kraftliniendichte und damit die auf den Nagel erzielbare Kraft im Verhältnis zu der dafür aufzuwendenden magnetischen Erregung noch zu gering.

Um eine möglichst hohe magnetische Feldstärke zu erreichen, muß die in die Feldspule des Elektromagneten eingespeiste elektrische Energie zu einem möglichst hohen Anteil als magnetische Energie in das Fokusgebiet eingetragen werden. Dem steht die Streuinduktivität der Feldspule entgegen, welche einen Teil der magnetischen Energie bindet und einer Nutzung im Fokusgebiet entzieht.

Das gilt im besonderem Maße für Elektromagneten ohne bzw. ohne geschlossenem Magnetkörper.

Um die Streuinduktivität einer Feldspule ohne Magnetkörper weitgehend zu unterdrücken und den Anteil der im inneren Zylinderraum der Spule nutzbaren magnetischen Energie möglichst groß zu machen, ist es nach den DE Offenlegungsschriften 390 69 08 und 392 59 26 bekannt, zwischen axial übereinander geschichteten, in Reihe geschalteten Scheibenspulen massive Leiterplatten in Form von Kreislochscheiben anzuordnen, welche an einer Stelle ihres Umfangs in radialer Richtung von ihrem Innen- bis zu ihren Außendurchmesser durchgehend geschlitzt sind. Wird in die Scheibenspulen ein Wechselstrom eingespeist, so werden in diesen Leiterplatten Wirbelströme induziert, welche das magnetische Feld aus den Scheibenspulen in den inneren, durch das Kreisloch der scheibenförmigen Leiterplatten gebildeten Hohlzylinder verdrängen.

Eine Erhöhung der magnetischen Feldstärke im Hohlzylinder wird damit aber nur erreicht, wenn eine bestimmte elektrische Energie, z. B. in Form einer Kondensatorladung, stoßartig und möglichst vollständig, d. h. mit geringer Dämpfung, in magnetische Energie umgesetzt wird.

Bei andauerndem quasistationären Betrieb ist aber meist - mit Rücksicht auf die Spulenerwärmung - der Magnetisierungsstrom vorgegeben. In diesem Fall wird durch die Wirbelströme keine Veränderung der magnetischen Feldstärke in dem inneren Hohlzylinder der Spulenanordnung bewirkt. Die Wirbelströme ergeben lediglich eine geringere Induktivität der Feldspule und eine entsprechende Verringerung der von der Feldspule in magnetische Energie umsetzbaren elektrischen Energie.

Das bedeutet, daß mit Hilfe der geschlitzten Leiterplatten eine Erhöhung der magnetischen Feldstärke im inneren Hohlzylinder der Feldspule im quasistationären Betrieb nur möglich ist, wenn unter Inkaufnahme höherer Stromwärmeverluste oder eines vergrößerten Wickelraums ein höherer Strom in die Scheibenspulen eingespeist oder die Windungszahl der Scheibenspulen entsprechend vergrößert wird. Der Nachteil dieser Spulenanordnung mit wirbelstrominduzierter Feldsteuerung beruht im wesentlichen darauf, daß sich der Fokus auf die gesamte axiale Länge der Feldspule erstreckt. Infolgedessen wird die Feldstärke am Rande der Feldspule im Vergleich zu herkömmlichen Elektromagneten durch die Wirbelströme in den Leiterplatten nicht oder nur unwesentlich erhöht. Das Feldstärkemaximum liegt - wie bisher üblich - im Zentrum der Feldspule und ist nur unwesentlich größer als der über die Länge der Feldspule gemittelte Wert.

Dies bedeutet, daß für das Erreichen örtlich hoher Feldstärken noch unverhältnismäßig hohe magnetische Energien benötigt werden, zu deren Erzeugung nicht nur große Kondensatorenbatterien mit hohen Ladespannungen erforderlich sind, sondern auch hohe mechanische Beanspruchungen der Feldspule durch die dabei entstehenden Lorentzkräfte beherrscht werden müssen.

Zur Erhöhung der Feldstärke an den Polenden eines Elektromagneten ist es bekannt, in die Polschuhe Kurzschlußringe oder Kurzschlußleiterschleifen einzulassen, die einen Teil der Polschuhfläche umfassen. Bei Erregung der Feldspule mit Wechselstrom werden die magnetischen Kraftlinien an der vom Kurzschlußring umfaßten Polfläche durch den in den Kurzschlußring induzierten Kurzschlußstrom in die Randflächen des Polschuhs verdrängt.

Dadurch kommt es dort zu einer Verdichtung der magnetischen Kraftlinien und zu einer entsprechenden Erhöhung der magnetischen Feldstärke. Diese Feldstärkeerhöhung erstreckt sich auf einen kleinen, ringförmigen Raum in unmittelbarer Nähe der Polenden und kann nur im Luftspalt eines geschlossenen Magnetkörpers in eine entsprechende Erhöhung der Anzugskraft umgesetzt werden.

Die für die Extraktion eines Nagels erforderlichen Stoßkräfte in der Größenordnung von einigen 1000 N lassen sich mit den bekannten Elektromagneten bei technisch-wirtschaftlich noch sinnvollem Aufwand an elektrischer Energie und an Material für Feldspule und Stoßkondensatoren nicht erzeugen. Dies trifft insbesondere auch für solche Anwendungsfälle zu, bei denen ein mit geringen Kräften zu bewegender ferromagnetischer Körper in einem im Vergleich zum Innendurchmesser der Feldspule großen Abstand außerhalb des von der Feldspule eingeschlossenen Raumes befindet.

Ziel der Erfindung ist ein Elektromagnet mit einem Magnetkörper, welcher zu einer Stirnseite hin offen ist, mit dessen Hilfe eine hohe Längskraft unmittelbar auf einen ferromagnetischen Körper ausgeübt werden kann, der sich außerhalb des Elektromagneten in dessen Längsachse befindet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine nicht oder nur teilweise von einem Magnetkörper umschlossene Wicklungsanordnung für eine Feldspule mit wirbelstrominduzierter Feldsteuerung zu schaffen, die es gestattet, die durch einen bestimmten, eingespeisten Wechselstrom hervorgerufenen magnetischen Kraftlinien möglichst vollständig auf einen in der Spulenachse außerhalb des magnetisch offenen Randes der Wicklungsanordnung befindlichen, nicht ferromagnetischen Wirkraum zu fokusieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine zylindrische Feldspule am Rande ihres halben Längsschnitts u-förmig von einem konzentrisch zu ihr angeordneten magnetisch leitenden, zylindersymmetrischen Körper und hierzu entgegengesetzt u-förmig von einem ebenfalls konzentrisch zu ihr angeordneten, elektrisch leitenden, zylindersymmetrischen Körper auf ihrem gesamten Umfang oder auf dem größten Teil ihres Umfangs umgeben ist, und daß der elektrisch leitende, zylindersymmetrische Körper als Bestandteil der Wicklungsanordnung auf seiner ganzen Länge an einer Stelle seines Umfangs durch einen elektrisch isolierenden Schlitz aufgetrennt ist, wobei sich der Schlitz über die gesamte radiale Dicke des elektrisch leitenden, zylindersymmetrischen Körpers erstreckt.

Durch diese elektromagnetische Anordnung wird zunächst erreicht, daß die durch Erregung der Feldspule hervorgerufenen magnetischen Kraftlinien in das offene Randgebiet des zylindersymmetrischen, in seinem halben Längsschnitt u-förmigen Magnetkörpers geleitet und dort in Richtung auf den in der Wicklungsachse befindlichen Magnetkern konzentriert werden.

Die der Erfindung eigentümliche Fokusierung des Magnetfeldes wird jedoch erst bei Erregung der Feldspule mit Wechselstrom erreicht. Nur dann werden in den elektrisch leitenden, in seinem halben Längsschnitt u-förmigen, zylindersymmetrischen Körper Wirbelströme induziert, die das magnetische Feld aus diesem Körper und teilweise auch aus der Feldspule in das offene Randgebiet des Magnetkörpers verdrängen und dort konzentrisch auf ein annähernd halbkugelförmiges Gebiet am offenen Ende des Magnetkerns fokusieren. Aufgrund dessen wird der elektrisch leitende, zylindersymmetrische Körper als Feldverdrängungszylinder bezeichnet. Durch seine einseitig durchgehende Schlitzung wird die Ausbildung einer Kurzschlußwindung unterbunden. Die Durchflutungen der Wirbelströme kompensieren sich dabei im Bezug auf den durch den Feldverdrängungszylinder eingeschlossenen zylindrischen Kernraum des Elektromagneten vollständig. Dies erfolgt auf die Weise, daß die Wirbelstrombahnen ringförmig gekrümmte Schleifen um die Spulenachse beschreiben, die sich im Bezug auf den Kernraum bifilar verhalten. Die in diesen Schleifen fließenden Wirbelströme erzeugen ein eigenes magnetisches Feld, das dem induzierenden Feld der Feldspule entgegengerichtet ist. Aus der Überlagerung des Wirbelstromfeldes mit dem induzierenden Feld geht die feldverdrängende Wirkung der Wirbelströme hervor. Im Bodenbereich des Feldverdrängungszylinders erzeugen die Wirbelströme ein Magnetfeld mit einer ausgeprägten, in das Randfeldgebiet gerichteten Feldstärkekomponente, die eine Aufspreizung des Randfeldes und zugleich eine Konzentration seiner Kraftlinien in Richtung auf die Achse des Elektromagneten erzwingt. Damit verlängern die Wirbelströme den Weg der magnetischen Kraftlinien im offenen Randgebiet der Wicklungsanordnung außerhalb des Magnetkörpers, was eine Erhöhung des magnetischen Widerstands und eine entsprechende Verringerung der Induktivität des Elektromagneten zur Folge hat. Dabei liefern die Wirbelströme keinen Beitrag zur magnetischen Umlaufspannung entlang einer um die Feldspule geschlossenen, durch den Magnetkörper und sein Randgebiet verlaufenden Feldlinie, da sie sich in jedem Längsschnitt des Feldverdrangungszylinders in ihre Summe gegenseitig aufheben.

Mit ihrer feldverdrängenden Wirkung auf den Verlauf der magnetischen Kraftlinien erhöhen die Wirbelströme aber nicht allein den magnetischen Widerstand des Elektromagneten insgesamt, sondern bestimmen auch dessen Verteilung auf die Teilstrecken des magnetischen Umlaufweges. Da die magnetischen Kraftlinien gerade im Bereich des elektromagnetischen Fokus besonders stark zusammengedrängt werden, wird dort der anteilige magnetische Widerstand besonders groß. Je größer diese Wirkung der Wirbelströme ist, desto größer ist auch der Anteil der von der Feldspule erzeugten magnetischen Umlaufspannung, der über dem elektromagnetischen Fokus abfällt.

Auf diese Weise wird mit Hilfe der Wirbelströme eine Konzentration der mit der Feldspule in den magnetischen Kreis insgesamt eingetragenen Energie auf den begrenzten Raum des elektromagnetischen Fokus am offenen Rand des Elektromagneten erreicht.

Die räumliche Ausdehnung und die maximale Feldstärke des elektromagnetischen Fokus kann leicht mit Hilfe einer zentrischen Bohrung im Boden des Feldverdrängungszylinders durch geeignete Wahl des Bohrungsdurchmessers in weiten Grenzen variiert werden. Durch eine zweckmäßige Ausbildung der Längsschnittkontur der Bohrung und/oder des angrenzenden Kernraums bzw. des an den Kernraum angrenzenden Teils des Feldverdrängungszylinders kann das Feldstärkemaximum erhöht und gleichzeitig an den offenen Rand des Elektromagneten geschoben werden. Dabei hat sich gezeigt, daß eine konische Erweiterung der Bohrung und des angrenzenden Kernraums in das Innere des Elektromagneten sich besonders günstig auf den magnetischen Widerstand und seine Verteilung im fokusnahen Bereich auswirkt.

Durch eine zweckmäßige Gestaltung des Elektromagneten kann weiter erreicht werden, daß der Anteil des durch das offene Randgebiet des Elektromagneten ziehenden, nutzbaren magnetischen Kraftflusses am Gesamtfluß der Feldspule möglichst groß ist. Eine solche Gestaltung kann z. B. darin bestehen, den Elektromagneten möglichst schlank, d. h. seine Länge im Verhältnis zu seinem Durchmesser möglichst groß zu machen. Damit wird auch das Wickelfenster der Feldspule schlanker, was eine Zunahme des magnetischen Widerstandes entlang der mit der Feldspule verketteten Streufeldlinien und eine entsprechende Verringerung des parasitären Streuflusses zur Folge hat. Dagegen nimmt der magnetische Widerstand auf dem Weg des nutzbaren Kraftflusses ab, da die Luftstrecke auf der offenen Seite des Magnetkörpers infolge des schmaleren Randfeldes kurzer wird. Er kann mit Hilfe geeigneter Polschuhe am offenen Ende des Magnetmantels noch weiter verringert werden. Der längere Weg der Feldlinien durch den schlankeren Magnetkörper wirkt sich wegen dessen im Verhältnis zu den Luftstrecken um Größenordnungen kleineren magnetischen Widerstands dabei auf die Größe des nutzbaren Kraftflusses kaum merkbar aus.

Eine solche Maßnahme zur Erhöhung des nutzbaren Anteils des magnetischen Gesamtflusses hat allerdings ihre Grenzen dort, wo durch zu hohe Wirbelstromdichten in dem ebenfalls schlanker werden Feldverdrängungszylinder thermisch und dynamisch nicht mehr beherrschbare Wirbelstromdichten entstehen.

Eine weitere Erhöhung der in nutzbare magnetische Energie umsetzbaren elektrischen Energie kann durch Verringerung des elektrischen Widerstandes der Wirbelstrombahnen erreicht werden. Dazu ist der Einsatz von Hochtemperatursupraleitern an den Stellen der höchsten Wirbelstromdichten, vorzugsweise im Bereich des elektromagnetischen Fokus des erfindungsgemäßen Elektromagneten, sehr sinnvoll. Durch Einbettung solcher supraleitenden Schichten in den elektrisch leitenden Körper des Feldverdrängungszylinders wird der Supraleiter thermisch und dynamisch vor Überbelastungen geschützt, welche insbesondere bei Überschreiten der kritischen magnetischen Feldstärke durch Übergang in den normal leitenden Zustand hervorgerufen werden. Dabei kann der elektrisch leitende Körper an diesen Stellen so dimensioniert werden, daß er die feldverdrängende Wirkung des Supraleiters in einem solchen kritischen Betriebszustand vorübergehend voll übernimmt.

Durch die erfindungsgemäße elektromagnetische Anordnung und ihre hier beschriebene Auswirkung auf die Ausbildung des Randfeldes des Elektromagneten wird eine hohe Längskraft unmittelbar auf einen ferromagnetischen Körper ausgeübt, der sich zunächst außerhalb der Feldspule des Elektromagneten in deren Längsachse befindet. Ein solcher ferromagnetischer Körper kann z. B. ein Nagel sein, der vollständig im Holz eingeschlagen ist.

Ist der Elektromagnet mit seinem Fokus auf den Nagelkopf ausgerichtet, so können damit Extraktionskräfte in der Größenordnung von 1000 N auf den Nagel ausgeübt werden, was vorzugsweise durch stoßweise Erregung der Feldspule im Millisekundenbereich erfolgt.

Auch in großer Entfernung vom Feldstärkefokus sind noch brauchbare Kräfte erreichbar, die ausreichen, um leichte, z. B. an einem Katheder befestigte Magnetanker zu bewegen. Diese Fernwirkung kommt insbesondere dann zustande, wenn die Feldstärke im Fokus weit über der Sättigungsgrenze ferromagnetischer Werkstoffe liegt und der Magnetanker als ferromagnetischer Körper aus dauermagnetischem Material besteht.

Erst wenn in größerer Entfernung die Sättigungsgrenze unterschritten wird, nimmt bei weiterer Vergrößerung des Abstandes die Kraftwirkung auf einen ferromagnetischen Körper deutlich ab. Dabei geht von dem ferromagnetischen Körper selbst eine fokusierende Wirkung aus. Ein weiteres Absinken der Feldstärke auf Werte unterhalb der Sättigungsgrenze wird dadurch in der Nähe des ferromagnetischen Körpers aufgehalten und zwar um so stärker, je weiter sich dieser Körper in Richtung der Feldachse erstreckt.

Befindet sich der ferromagnetische Körper unmittelbar im Fokus des Elektromagneten, und soll er durch die auf ihn wirkende Magnetkraft auf einer Strecke bewegt werden, die größer als sein Abstand vom offenen Ende des Kernes ist, so ist der Kern des Elektromagneten axial frei verschiebbar angeordnet, d. h. als Magnetanker ausgebildet.

Der zylindrische Innenraum des Feldverdrängungszylinders dient dabei ganz oder teilweise als Hubraum für den Magnetanker. Die Länge dieses Hubraums entspricht annähernd der Strecke, auf welcher der ferromagnetische Körper bewegt werden soll.

Um bei Erregung der Feldspule eine Startbewegung des Magnetkerns hervorzurufen, muß die Kraft, die ihn in den Hubraum zieht, größer sein als die entgegengesetzte Kraft, welche der ferromagnetische Körper auf ihn an seinem offenen Ende ausübt.

Ist der ferromagnetische Körper z. B. ein Nagel, so muß demnach die Hubkraft auf den Magnetanker größer sein als die Kraft, mit welcher der Nagel den Magnetanker auf sich zieht. Die überschüssige Hubkraft wird für die Beschleunigung des Magnetankers und des Nagels benötigt.

Diese überschüssige Hubkraft wird dadurch erreicht, daß der Magnetanker an seinem offenen Ende in Form eines Kegelstumpfes konisch ausgebildet ist. Der Kraftfluß, welcher in die ebene Fläche des Kegelstumpfes eintritt, ruft die Anziehungskraft zwischen Magnetanker und dem ferromagnetischen Körper hervor. Der in die konische Mantelfläche des Kegelstumpfes eintretende Nebenfluß hat dagegen keine unmittelbare Wirkung auf den ferromagnetischen Körper. Er tritt zusammen mit den in die ebene Fläche eingeleiteten Hauptfluß an dem hubraumseitigen Ende des Magnetankers aus und erzeugt dort auf seinem Weg in das Joch des Elektromagneten die für die Beschleunigung erforderliche überschüssige Hubkraft.

Je größer der Konuswinkel am offenen Ende des Magnetankers ist, desto größer ist der Nebenfluß und um so größer die Beschleunigungskraft.

Da der Nebenfluß aber für die Erzeugung der Zugkraft auf den ferromagnetischen Körper verlorengeht, muß er auf das notwendige Maß begrenzt sein. Dies kann außer durch Wahl des Konuswinkels zusätzlich durch eine geeignete Ausbildung des Feldverdrängungszylinders erreicht werden. Hierzu besitzt der Feldverdrängungszylinder in seinem Boden eine konische Bohrung, die sich dem Konus des Magnetankers anpaßt. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn sowohl der Konus des Magnetankers als auch die Bohrung des Feldverdrängungszylinders zum offenem Rande des Elektromagneten hin in ein zylindrisches Endstück münden. Die Länge dieses zylindrischen Endstücks bietet eine weitere Möglichkeit, die anteilige Größe des Nebenflusses im Sinne eines funktionellen Optimums zu beeinflussen.

Der Anteil des Nebenflusses sollte sich bei der Bewegung des Magnetankers möglichst wenig von seiner optimalen Größe unterscheiden.

Hierzu kann es vorteilhaft sein, den Teil des Feldverdrängungszylinders, welcher sich am Konus des Magnetankers befindet, abzutrennen und fest mit dem Magnetanker zu verbinden, so daß er sich zusammen mit diesem bewegen kann. Damit wird erreicht, daß die feldsteuernde Wirkung von Magnetkonus und Wirbelströmen auf den Nebenfluß unabhängig von der Lage des Magnetankers weitgehend erhalten bleibt.

Zur Erhöhung der Anzugskraft des Elektromagneten ist es zweckmäßig, den magnetischen Widerstand, soweit wie möglich, zu reduzieren.

Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Joch als ferromagnetischer Zylinder axial in den Hubraum ragt, wobei der Innendurchmesser des Jochzylinders um ein bestimmtes Maß größer als der Außendurchmesser des Magnetankers ist. In seiner Ausgangsstellung ist der Magnetanker so angeordnet, daß er mit seinen hubraumseitigen Ende dem Jochzylinder stirnseitig auf kurzer Distanz gegenübersteht, so daß zwischen den ringförmigen Rändern der beiden Magnetkörper ein Feldstärkefokus hoher Flußdichte entsteht.

Auf diese Weise wird bei mäßig erhöhtem Ausgangswert des magnetischen Widerstands eine hohe Anfangsbeschleunigung des Magnetkörpers erzeugt. Durch geeignete Gestaltung und Bemessung der sich gegenüberstehenden Randgebiete des Magnetankers und des Jochzylinders kann auf bekannte Weise erreicht werden, daß der magnetische Widerstand im Fokusbereich möglichst gering und die Anzugskraft möglichst hoch ist.

Bei Beschleunigung des Magnetankers dringt dieser in den Jochzylinder ein, wobei sich der magnetische Widerstand mit zunehmender Durchdringung der beiden Magnetkörper stetig verringert. Dabei muß der magnetische Widerstand auf dieser Strecke stärker abnehmen, als er am anderen Ende des Magnetankers infolge der größer werdenden Entfernung vom offenem Ende des Magnetmantels zunimmt. Denn nur solange, wie bei Bewegung des Magnetankers der magnetische Widerstand des Elektromagneten insgesamt abnimmt, wird eine resultierende Kraft erzeugt, welche den Magnetanker in Bewegungsrichtung beschleunigt.

Diese Bedingung kann auf bekannte Weise durch geeignete Dimensionierung des zylindrischen Luftspaltes erfüllt werden, der sich beim Eindringen des Magnetankers zwischen diesem und dem Jochzylinder einstellt. Auf gleiche Weise kann auch dafür gesorgt werden, daß der Magnetanker abgebremst wird, wenn er die geforderte Hubstrecke zurückgelegt hat. Dazu ist der Übergang zwischen Magnetanker und Jochzylinder so zu gestalten, daß der magnetische Widerstand von da an in Bewegungsrichtung konstant bleibt oder zunimmt. Dazu ist z. B. nur dafür zu sorgen, daß der Jochzylinder nach außen offen ist, so das der Magnetanker über den äußeren Rand des Jochs aus dem Jochzylinder heraustreten kann.

Eine zusätzliche Abbremsung des Magnetankers kann mit Hilfe einer Rückstellfeder in einem außerhalb des Jochs angeordneten Gehäuse erfolgen.

Die für die Beschleunigung des Magnetankers notwendige Abnahme des magnetischen Widerstands mit der Hubbewegung des Magnetankers kann auch dadurch erreicht werden, daß in den Hubraum pulverförmiges ferromagnetisches Material eingebracht wird. Bei Erregung der Feldspule richtet sich das Magnetpulver fadenförmig entlang den Kraftlinien des magnetischen Feldes aus und überbrückt damit die Luftstrecke zwischen Magnetanker und Magnetjoch im Hubraum des Elektromagneten. Um dabei ein Zusammenbrechen der Hubkraft infolge eines "magnetischen Kurzschlusses" des Hubraumes zu vermeiden, muß der Magnetanker und/oder das Joch jeweils an seinem hubraumseitigen Ende eine Polplatte aus nicht ferromagnetischen Material besitzen. Diese Polplatte sollte möglichst dünn sein, um einen möglichst niedrigen magnetischen Widerstand am Ende des Hubweges zu erreichen.

Die Magnetpulverfäden haben das Bestreben, ihren Querschnitt im magnetischen Feld zu vergrößern und infolgedessen ihre Länge zu verkürzen, wodurch die Hubkraft auf den Magnetanker hervorgerufen wird. Sie wird um so größer sein, je weiter sich das Magnetpulver zu Beginn in der magnetischen Sättigung befindet.

Der Hubraum setzt sich in das Joch fort. Der im Joch befindliche Teil des Hubraums dient als Kompressionsraum für das Magnetpulver. Die durch die Bewegung des Magnetankers in den Kompressionsraum gedrückte Luft kann zunächst durch ein Filter mit geringem Druck entweichen. Doch mit zunehmender Verdichtung des Magnetpulvers im Kompressionsraum wird der Luftwiderstand größer, wodurch der Magnetanker schließlich abgebremst wird. Zweckmäßig erstreckt sich der Kompressionsraum über das Joch hinaus, so daß das Magnetpulver zusätzlich eine magnetische Bremskraft hervorruft, sobald es durch den Magnetanker in den außerhalb des Jochs liegenden Teil des Kompressionsraums geschoben wird.

Zur Aufrechterhaltung eines definierten Luftspaltes für die Steuerung des magnetischen Widerstandes ist auch der Jochraum an seiner Wandung mit einem nichtferromagnetischen Material abgedeckt.

Die hohe Induktion im äußeren Feldstärkefokus kann außer zur Krafterzeugung auch zur induktiven Erwärmung eines Körpers verwendet werden, der hierzu nicht ferromagnetisch, sondern nur elektrisch leitfähig sein muß. Vorteilhaft wird hierbei im Boden des Feldverdrängungszylinders eine konzentrische, ringscheibenförmige Öffnung vorgesehen, deren Außendurchmesser gleich dem Innendurchmesser des Magnetmantels und deren Innendurchmesser annähernd gleich oder kleiner als der mittlere Durchmesser der Feldspule ist. Dadurch wird erreicht, daß das magnetische Feld weiter in den freien Raum hinausgreift, so daß ein größeres Volumen des induktiv zu erwärmenden Körpers vom magnetischen Feld erfaßt wird. Die damit gleichzeitig bewirkte Erhöhung der Strominduktivität der Feldspule kann durch Optimierung des Innendurchmessers der ringscheibenförmigen Öffnung im Bodenbereich des Feldverdrängungszylinders gering gehalten werden. Für eine induktive Erwärmung durch Wirbelströme sind Erregerfrequenzen in der Größenordnung von einigen kHz erforderlich, wobei sich auch im Feldverdrängungszylinder örtlich hohe Stromwärmeverluste im Bereich des elektromagnetischen Fokus einstellen. Diese können durch Einsatz von Supraleitern praktisch auf Null reduziert werden.

In vielen Fällen kann eine intensive örtliche Kühlung des Feldverdrängungszylinders im Fokusbereich erforderlich sein. Hierzu ist zweckmäßig ein an sich bekanntes Wärmerohr vorgesehen, das in den inneren Aufbau des Elektromagneten integriert ist. Der Verdampfungsraum wird durch Kanäle in der konischen Mantelfläche des Magnetankers gebildet, welche in Bohrungen münden, welche die Verbindung zwischen diesen Kanälen und einer axialen Zentralbohrung im Magnetanker herstellen, die zum Hubraum offen ist.

Der Hubraum dient als Kondensationsraum, wobei die angrenzende Wandung des Feldverdrängungszylinders radial innen als Kapillarrohr und radial außen als Wärmetauscher ausgebildet ist. Das Kühlmittel verdampft im Fokusbereich, der Kühlmitteldampf gelangt aus den Kanälen durch die Verbindungsbohrungen in die Zentralbohrung des Magnetankers und von da in den Hubraum. Dort kondensiert der Kühlmitteldampf an der kalten Wand des Feldverdrängungszylinders und gibt dabei seine Verdampfungswärme an den Wärmetauscher ab. In dem Kapillarrohr an der Innenwandung des Feldverdrängungszylinders gelangt das verflüssigte Kühlmittel wieder in den Verdampfungsraum zwischen Magnetanker und Feldverdrängungszylinder.

Durch das Kapillarrohr ist der Kühlmittelkreislauf weitgehend unabhängig von der Arbeitsstellung des Elektromagneten, da der Kühlmitteltransport nicht durch die Gravitationskraft sondern durch Kapillarkräfte bewirkt wird.

Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Elektromagneten ist die Erzeugung extrem hoher, gepulster magnetischer Feldstärken im 100 T-Bereich, wie sie in der Werkstofforschung, insbesondere auf dem Gebiet der Supraleitung benötigt werden.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Anordnung besteht hierbei insbesondere darin, daß sich das Gebiet hoher magnetischer Feldstärke nicht im Inneren, sondern im Randfeld der Feldspule befindet, und daß sich seine Ausdehnung mit einfachen Mitteln in weiten Grenzen variieren läßt, wobei in diesem Gebiet der größte Teil der von der Feldspule erzeugten magnetischen Energie konzentriert ist.

Damit wird erreicht, daß von dem elektromagnetischen Fokus mit seinen hohen magnetischen Feldstärken praktisch keine Lorentzkräfte auf die Feldspule ausgehen, d. h. Feldspule und Fokus dynamisch entkoppelt sind. Lorentzkräfte wirken nur noch auf den Boden des Feldverdrängungszylinders in radialer Richtung. Sie können hier durch geeignete Werkstoffwahl und/oder durch einen entsprechend dimensionierten äußeren Spannring ohne großen konstruktiven Aufwand beherrscht werden.

Auch kann der Boden des Feldverdrängungszylinders als separatives Bauteil ausgeführt werden, so daß er bei einer Beschädigung leicht gegen einen neuen ausgetauscht werden kann, ohne daß der Elektromagnet ansonsten Schaden nimmt.

Durch die Konzentration der magnetischen Energie auf den Fokus wird erreicht, daß für ihre Erzeugung eine bedeutend geringere elektrische Energie aufgewendet werden muß.

Bei Stoßerregung bedeutet dies, daß man mit wesentlich kleineren Kondensatorenbatterien und geringen Ladespannungen auskommen kann, selbst wenn extrem hohe Induktionen in der Größenordnung von 100 T zu erzeugen sind.

Eine mögliche, völlig neuartige Anwendung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Anordnung besteht in der Stabilisierung des ringförmigen Plasmas eines Kernfusionsreaktors.

Diese kann dadurch erreicht werden, daß das Plasma streckenweise axial durch das Randfeld des Elektromagneten geführt wird.

Durch die auf den Plasmastrahl gerichtete Radialkomponente des Randfeldes wird dieser in Drehung um seine eigene Achse versetzt. Dadurch entsteht eine rotierende, in tangentialer Richtung wirkende Komponente des Plasmastroms, auf den die Axialkomponente des Randfeldes des Elektromagneten eine in radialer Richtung wirkende Lorentzkraft ausübt.

Dadurch wird bei entsprechender Polung des Magnetfeldes bzw. des Plasmastromes der Plasmastrahl mit Annäherung an den magnetischen Fokus zunehmend komprimiert, wobei gleichzeitig seine Rotation zunimmt, so daß sich eine strudelförmige Plasmastruktur mit hoher Stabilität im Randfeld des Elektromagneten ausbildet. Da der auf den Plasmastrahl übertragene Drehimpuls im evakuierten Brennraum des Reaktors für lange Zeit erhalten bleibt, ist ein gepulster Betrieb des Elektromagneten ausreichend. Dabei kann auch eine thermische Zerstörung des Feldverdrängungszylinders durch das Plasma, zumindest in seinem Bodenbereich, in Kauf genommen werden. Eine laufende Übertragung von Drehimpuls auf den Plasmastrahl kann durch "kalte" Ladungsträgerstrahlen erfolgen, die außerhalb des Brennraumes mit Hilfe der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Anordnung in Rotation versetzt und dann kontinuierlich oder stoßweise in die Plasmaringbahn des Reaktors eingeschossen werden. Dabei kann eine Zerstörung des Feldverdrängungszylinders vermieden werden.

In gleicher Weise kann der Elektromagnet auch als magnetische Linse oder als Ablenkeinrichtung für eine Elektronenstrahlkanone genutzt werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt des Elektromagnets (Schnitt C-C nach Fig. 3),

Fig. 2 einen Querschnitt (Schnitt B-B nach Fig. 1),

Fig. 3 eine Bodenansicht (Schnitt A-A nach Fig. 1),

Fig. 4 ein Feldbild im Längsschnitt.

In dem Magnetkörper, bestehend aus dem Joch 1, dem Mantel 2 und dem Kern 3 ist die zylindrische Feldwicklung 4 angeordnet. Die Feldwicklung 4 ist an ihren Mantelflächen und der nicht vom Joch 1 abgedeckten Stirnfläche von dem Feldverdrängungszylinder 5 aus elektrisch leitendem Material eingehüllt. Dieser besteht aus dem äußeren Zylinder 5.1, dem inneren Zylinder 5.2, der Bodenplatte 5.3 mit der zentrischen Bohrung 5.4. Der Kern 3 füllt den inneren Zylinder 5.2 und die Bohrung 5.4 der Bodenplatte aus und ist wie letztere zu seinem offenen Ende bzw. zum freien Rand der Bodenplatte hin absatzweise konisch verjüngt.

Der Feldverdrängungszylinder 5 ist durch den Isolierschlitz 9 an einer Stelle des Umfangs über seine ganze axiale Höhe und radiale Breite einseitig aufgetrennt.

Bei Erregung der Feldspule 4 mit einem Wechsel- oder Stoßstrom bildet sich das in Bild 4 dargestellte äußere Magnetfeld mit den Feldlinien 6 aus, das im Bereich der zentrischen Bohrung 5.4 der Bodenplatte 5.3 fokusartig konzentriert ist. Das parasitäre Streufeld der Feldspule mit den Feldlinien 8 ist durch die Wirkung des Feldverdrängungszylinders 5 auf das Wickelfenster zurückgedrängt. Die Zylinder 5.1 und 5.2 sind praktisch feldfrei. Der Anteil der Streuinduktivität der Feldspule an der Gesamtinduktivität des Elektromagneten ist dadurch kleiner als 25%.

Die Feldlinie 7 kennzeichnet das Streufeld der im Fokusbereich der Bodenplatte fließenden Wirbelströme.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektromagnet mit äußerem Feldstärkefokus, welcher aus einer zylindrischen Feldspule und einem die Feldspule teilweise umschließenden Magnetkörper besteht, wobei der Magnetkörper aus einem kreisscheibenförmigen Joch, einem die Feldspule umhüllenden zylindrischen Mantel und einem in die Feldspule eintauchenden zylindrischen Kern gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldspule an ihren Mantelflächen und an ihrer nicht vom Joch abgedeckten Stirnfläche von einem zylindrischen, elektrisch leitenden Körper ganz oder teilweise eingehüllt ist, welcher aus zwei koaxialen Zylindern und einer kreisscheibenförmigen Bodenplatte besteht, und daß die koaxialen Zylinder und die Bodenplatte an einer, jeweils gleichen Stelle ihres Umfangs radial und axial geschlitzt sind, wobei in dem Schlitz eine elektrische Isolierung vorgesehen ist.
  2. 2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des elektrisch leitenden Körpers ganzflächig oder zumindest stellenweise elektrisch leitend verbunden sind.
  3. 3. Elektromagnet nach Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte eine zentrische Bohrung besitzt.
  4. 4. Elektromagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bohrung vom Spulenraum her nach außen hin konisch verjüngt.
  5. 5. Elektromagnet nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schlitz radial vom äußerem Umfang des Feldverdrängungszylinders bis zur zentrischen Bohrung der Bodenplatte erstreckt.
  6. 6. Elektromagnet nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kern an seinem freien Ende konisch verjüngt.






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