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Dokumentenidentifikation DE102004016414A1 20.10.2005
Titel Teilbare Einwindungsspule zur Erzeugung starker Magnetfeldimpulse
Anmelder Poynting GmbH, 44143 Dortmund, DE
Erfinder Beerwald, Moritz, 44135 Dortmund, DE;
Henselek, Artur, 59302 Oelde, DE
DE-Anmeldedatum 30.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004016414
Offenlegungstag 20.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.10.2005
IPC-Hauptklasse H01F 7/20
IPC-Nebenklasse H01F 13/00   
Zusammenfassung Aufklappbare Kompressionsspule für die impulsmagnetische Kompression von Aluminium- und Kupferrohren. Sie besteht aus zwei Hälften einer Einwindungsspule, die zusammengepreßt werden. Die erfindungsgemäße Kontaktierung ermöglicht das kontinuierliche Öffnen und Schließen der Spule bei Produktionsprozessen. Der Stromimpuls in der Einwindungsspule wird induktiv mit einer Mehrwindungsspule eingekoppelt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine teilbare Einwindungsspule zur Erzeugung starker Magnetfeldimpulse mit Flußdichten bis etwa 30 T, die aus mindestens zwei Teilen besteht, bei der die zur Spulenachse parallelen Kontaktstrecken länger sind als die axiale Länge der Hochfeldzone und der Übergang von der kurzen Hochfeldzone zu einer langen Kontaktstrecke mittels eines niederinduktiven massiven Bandleiters geschieht. Eine solche teilbare Einwindungsspule ist in DE 199 19 301 A1 beschrieben.

Starke Magnetfeldimpulse werden für die impulsmagnetische Metallbearbeitung benötigt.

Die impulsmagnetische Kompression von Rohren aus elektrisch gut leitfähigen Metallen wie Aluminium oder Kupfer wird benutzt zum Fügen und Kalibrieren dieser Rohre. Hierfür werden gewöhnlich magnetische Drücke von etwa 200 MPa angewandt, wozu ein magnetisches Feld von bis zu 2&bullopr;107A/m benötigt wird, was einem Strom von 20 Kiloampere pro Millimeter axialer Spulenlänge entspricht.

Das Fügen von Rohren zur Herstellung geschlossener Rohrrahmen erfordert teilbare Spulen. Wegen der durch den Skineffekt bedingten hohen Stromdichten von über 30 000 A/mm2 kommt es bei teilbaren Spulen leicht zum Verschweißen der Kontaktflächen. Deshalb verlängert man die Kontaktstrecke senkrecht zur Stromrichtung. Wegen der geringen Eindringtiefe des Stromes läßt sich nur so die Kontaktfläche vergrößern. Im folgenden wird der Strom pro Kontaktstrecke Linienstromdichte genannt und in kA/mm angegeben.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß Linienstromdichten, die größer als 5 kA/mm sind, zu Verschweißung der Kontakte führen.

Teilbare Einwindungsspulen sind vorgeschlagen worden in

CH438187A (1 bis 6)

DE 1257728

DE 4436615A1 (3 bis 6)

EP 1024912B1 (12 und 13)

US 5442846A (2).

Dafür die impulsmagnetische Umformung magnetische Feldstärken von 10 bis 20 mal 106A/m benötigt werden, ist bei den vorgeschlagenen Spulen die Linienstromdichte größer als 5 kA/mm, auch wenn z.T. die Kontaktstrecke durch schräge oder gekrümmte Führung etwas verlängert ist, wie in EP1024912.

Aber auch bei den Spulen, die nach DE 199 19 301 gefertigt worden sind, bei denen durch Verlängerung der Kontaktstrecke die Linienstromdichte geringer als 3 kA/mm ist, sind an den Kontakten Brandspuren aufgetreten. die von kleinen Lichtbögen herrühren. Die durch die Verlängerung der Kontaktstrecken reduzierte Stromdichte ist immer noch so hoch, daß an den Kontaktblechen abstoßende Kräfte auftreten, wie sie in "„Magnetic Forces Acting on Current-Carrying Contacts Before and After Contact Separation" von K. Krause und J. Mentel in Siemens Forsch.- u. Entwickl.-Ber. Bd. 4 (1975) Nr.1 beschrieben sind.

Die Standfestigkeit solcher Spulen genügt nicht für Anwendungen bei der industriellen Produktion.

Um diesen abstoßenden Kräften entgegenzuwirken, greifen bei den Vorschlägen DE 1257728 und EP 1024912B1 (13B) die beiden Teile der teilbaren Spule schwalbenschwanzartig ineinander. Dabei sind die Schwalbenschwänze parallel zur Spulenachse angeordnet – wie die Kontaktstrecken in DE 19919301 (2) – so daß der auf die Spule wirkende magnetische Druck den Auflagedruck der Schwalbenschwanzflanken, die auch für den Stromübergang als Kontakt dienen, verstärkt.

Da mit der Erfindung eine klappbare Spule angestrebt wird, wurde eine Lösung mit Schwalbenschwänzen verworfen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer zweiteiligen Kompressionsspule, bei der der eine Teil allein durch Bewegung in der Ebene senkrecht zur Spulenachse von dem anderen Teil trennbar ist, die abstoßenden Kräfte an den Kontaktblechen während des Stromimpulses vermindert oder vermieden werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kontaktbleche so ausgebildet sind, daß der über sie fließende Strom mit seinem Magnetfeld den Anpreßdruck der Kontaktstreifen erhöht.

Für elektrische Schalter ist dieses Prinzip schon im Jahre 1928 vorgeschlagen worden (CH 132714A). Für teilbare Einwindungsspulen, bei der plane Flächen miteinander kontaktiert werden müssen, läßt sich dieses Prinzip besonders einfach anwenden.

Z. B. kann man U- oder V-förmige gerade Kontaktstreifen benutzen, die an einem der beiden Teile der teilbaren Einwindungsspule so verankert sind, daß der magnetische Druck bestrebt ist, die gebogenen Kontaktstreifen aufzuweiten, so daß eine Kraft entsteht, die den Anpreßdruck verstärkt. Der Strom muß also über die konkave Krümmung des Kontaktbleches zurückgeführt werden. Um sicher zu sein, daß beim Zusammenpressen der beiden Teile der teilbaren Einwindungsspule die Konkavität der Stromführung nicht verloren geht, kann man eine stabile Isolierfolie zwischen die Schenkel des gebogenen Kontaktbleches legen.

Bei der Ausgestaltung der Erfindung nach Unteranspruch 2 ragen aus dem Teil A der teilbaren Einwindungsspule Kontaktbleche. die zu der Hochfeldzone hin einen offenen spitzen Winkel mit der Grundfläche des Teils A bilden. Die Fläche des Teiles A ist mit einer Isolierschicht versehen, so daß das Kontaktblech außer an seinem Fußpunkt keinen zweiten Kontakt mit der Fläche des Teils A bekommen kann, falls es ungewollt beim Aupressen des Teils B der teilbaren Einwindungsspule zu einer Berührung des elastisch gebogenen Kontaktblechs mit der Oberfläche des Teils A kommen sollte.

Aus Gründen, wie es schon in DE 199 19 301 A1 beschrieben, ist es zweckmäßig, den Strom für die Einwindungsspule induktiv einzukoppeln. Dies geschieht gemäß Unteranspruch 3 mittels einer Mehrwindungsspule, deren Länge der Breite des verbreiterten Bandleiters entspricht, indem der verbreiterte Bandleiter die Mehrwindungsspule einschließt. Die Mehrwindungsspule befindet sich zwischen dem hin- und rücklaufenden Bandleiterstrom, so daß der massive breite Bandleiter zwischen Hochfeldzone und einer Kontaktstrecke wie die Sekundärwicklung eines Transformators wirkt.

Da zwischen der Hochfeldzone und der zweiten notwendigen Kontaktstrecke außer der Verbreiterung des massiven Bandleiters zur Verlängerung der Kontaktstrecke, nichts eingefügt zu werden braucht, wäre es am günstigsten, die Kontaktstrecke als Kreisbogen um die Hochfeldzone anzuordnen. Da es aber schwierig ist, die Kontaktbleche nach Ansprüchen 1 und 2 als Kreisbogen herzustellen, wird der Kreisbogen durch einen Polygonbogen ersetzt Der niederinduktive massive Bandleiter wird als Segment eines Polygons ausgebildet und die beiden Platten des Bandleiters mit geraden Kontaktfedern kontaktiert, die am äußeren Rand, dem Polygonzug folgend angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Verbesserung der beiden Kontaktstrecken führt zu einer Erhöhung der Standzeit einer aufklappbaren Kompressionsspule, die bei jedem Arbeitsgang geöffnet und geschlossen werden muß und ermöglicht ihren Einsatz beim serienmäßigen Fügen von Alumimiumrohren.

1 zeigt die vereinfachte seitliche Aufsicht eines Ausführungsbeispiels der teilbaren Einwindungsspule nach Anspruch 3. Die eigentliche Einwindungsspule ist die Hochfeldzone 1. Ihr Durchmesser beträgt 12,5 mm und ihre axiale Länge 15 mm. Links und rechts neben der Hochfeldzone beträgt die Breite der beiden Spulenteile A und B 130 mm. Die einander zugewandten Flächen der Teile A und B sind isolierend beschichtet (Polyimidfolie). Lediglich an den Enden werden die beiden Teile A und B mit den CuBe-Kontaktblechen 2a und 2b elektrisch verbunden. Die Kontaktbleche 2a und 2b sind am oberen Teil A festgeklemmt und drücken federnd auf das untere Teil B. Die Öfnung für die Mehrwindungsspule 3 ist hier quadratisch, weil die Mehrwindungsspule aus 11 mm breitem Kupferband mit 10 Windungen auf einen Transformatorkern aus U-I-Blechen mit einem Querschnitt von 40 × 40 mm gewickelt ist. Die eingezeichneten Pfeile deuten den an den Oberflächen induzierten Stromfluß an.

2 zeigt die aufgeklappte Spule ohne die 10-windige Einkoppelspule. Das stromführende Material 4 am Block B und das dazu symmetrisch liegende stromführende Material am Block A ist eine feste gut leitfähige Kupferlegierung (CuCrZr).

3 zeigt die zugeklappte Spule. Die 10-windige Einkoppelspule, ist auf den Eisenkern 5 gewickelt. Die Verriegelung 6 zusammen mit dem Scharnier 7 pressen die beiden Spulenteile zusammen.


Anspruch[de]
  1. Teilbare Einwindungsspule zur Erzeugung starker Magnetfeldimpulse mit Flußdichten bis etwa 30 T, die aus mindestens zwei Teilen besteht, bei der die zur Spulanachse parallelen Kontaktstrecken länger sind als die axiale Länge der Hochfeldzone und der Übergang von der kurzen Hochfeldzone zu einer langen Kontaktstrecke mittels eines niederinduktiven massiven Bandleiters geschieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbleche so ausgebildet sind, daß der über sie fließende Strom mit seinem Magnetfeld den Anpreßdruck der Kontaktstreifen erhöht.
  2. Teilbare Einwindungsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbleche mit dem einen Teil A der teilbaren Spule fest verbunden sind, zur Hochfeldzone hin mit der isolierend beschichteten Fläche des Teils A einen offenen spitzen Winkel bilden und durch die elastische Verformung der Kontaktbleche beim Anpressen des gegenüberliegenden Teils B der teilbaren Spule die Kontaktbleche keinen zweiten Kontakt mit der Fläche des Teils A schließen können.
  3. Teilbare Einwindungsspule nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom mittels einer Mehrwindungsspule, deren Länge der Breite des verbreiterten Bandleiters entspricht, induktiv eingekoppelt wird, indem der verbreiterte Bandleiter die Mehrwindungsspule einschließt.
  4. Teilbare Einwindungsspule nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der niederinduktive massive Bandleiter, der keine Mehrwindungsspule einschließt, als Segment eines Polygons ausgebildet ist und die beiden Platten des Bandleiters mit geraden Kontaktfedern, die am äußeren Rand, dem Polygonzug folgend angeordnet sind, kontaktiert.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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