DE1464415C - Spulen oder Wicklungsanordnung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes fur magnetohydrodynamische Einrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulen- oder Wicklungsanordnung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes für magnetohydrodynamische Einrichtungen, bei welcher jede der hintereinandergeschalteten Windungen aus einem breiten Streifen eines Materials mit großer elektrischer Leitfähigkeit besteht, der zu einer annähernd rechteckigen Form mit zwei Mittelteilen sowie einem ersten und einem zweiten Endteil gebogen ist, wobei die ersten Endteile sämtlicher Windungen nahe beieinanderliegen.

Es ist bekannt, daß ein wesentlicher Bestandteil eines magnetohydrodynamischen Generators der Strömungskanal ist, durch welchen· elektrisch leitende Gase bei hoher Temperatur mit hoher Geschwindigkeit strömen. Eine Spulen- oder Wicklungsanordnung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes ist längs des Strömungskanals angeordnet. Die Induktionslinien dieses Feldes verlaufen vorzugsweise senkrecht zur Richtung des Gasstroms. Eine Bewegung des Gases relativ zu dem magnetischen Feld erzeugt eine elektromotorische Kraft, die sowohl senkrecht zur Richtung des Gasstroms als auch senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes verläuft.

Die Spulen- oder Wicklungsanordnung zum Erzeugen des Magnetfeldes in magnetohydrodynamischen Einrichtungen, beispielsweise in magnetohydrodynamischen Generatoren (im folgenden als MHD-Generatoren bezeichnet), arbeiten vorzugsweise mit niedrigen Spannungen, jedoch mit starken Strömen in der Größenordnung von mehreren tausend Ampere. Bei derartigen Strömstärken müssen die Leiter für die Wicklungen große Querschnitte aufweisen und können infolgedessen, nur mit Schwierigkeiten in die erforderliche Form gebracht werden.

Eine richtungsweisende Arbeit über die Dimensionierung von Feldwicklungen für MHD-Generatoren stammt von Z. J. J. Stekly, T. A. de Winter und H.E. Bindari, die in dem Buch »High Magnetic Fields« auf den Seiten 139 bis 155 wiedergegeben ist.

Bei den bekannten Feldmagneten bestehen die Leiter aus flachen Platten, deren Breitenabmessungen größtenteils senkrecht zur Achse der Spule oder Wicklung verlaufen. Bei dieser Art des Aufbaus sind sattelförmige Enden erforderlich, weil die Leiter in diesem Falle sich nicht unendlich weit nach beiden Richtungen erstrecken, und es müssen an den entgegengesetzten Enden des Magneten Öffnungen vorgesehen werden, in die der Generatorkanal eingesetzt werden kann. Praktische Erwägungen führten zu der sogenannten sattelförmigen Spulenwicklung. Die sattelförmigen Enden brachten aber insofern erhebliche Nachteile mit sich, als der reine Leistungsverbrauch und die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes in der Nähe der Enden des Magneten ungünstig beeinflußt wurden. Es ist dies eine Folge der verhältnismäßig großen Länge der Leiter, die sich außerhalb desjenigen Bereiches befinden müssen, in welchem das Feld erzeugt werden soll und eine Folge der Tatsache, daß die Ströme in diesem Teil der Leiter von dem Bezirk des Magnetfeldes entfernt Hießen.

Verläuft der Generatorkanal in seiner Längsricliliiiig riiimilicli unverändert, dann kann eine gleich ImIu: Spannung an allen Stellen längs des Arbeitsahsiliniltes des GeiiOratorkiinals erzielt werden, wenn die Gleichung:

B = B_a

erfüllt ist.

In dieser Gleichung ist B₀ die Stärke des Magnetfeldes und P₀ die Höhe des Gasdrucks am Einlaß des Kanals, während B und P die sogenannten örtlichen Werte für das Magnetfeld bzw. den Gasdruck sind. Die örtlichen Werte von B und P nehmen im allgemeinen in der Stromrichtung ab. Das veränderliche Magnetfeld ist auch deshalb erwünscht, um das Auftreten störender Hall-Effekte zu verhindern.

Die Größe des Hall-Effektes ist ungefähr proportional dem Verhältnis von Maghetfeldstärke zu Gasdruck. Da sich nun der Gasdruck beim Strömen des Gases durch den Kanal verringert, ist es erwünscht, die Stärke des Magnetfeldes in demselben Ausmaß herabzusetzen.

Die Verwendung von streifenförmigem, insbesondere folienförmigem Material für Spulenwicklungen , für Meßinstrumente, Motoren und Transformatoren ist bekannt (s. beispielsweise Electrical Review, 1959, Bd. 164, S. 667 bis 671).

Es sind ferner Wicklungsanordnungen für MHD-Generatoren .bekannt, bei welchen jede der hintereinandergeschalteten Windungen aus einem breiten Streifen eines Materials mit großer elektrischer Leitfähigkeit besteht, der zu einer annähernd rechteckigen Form mit zwei Mittelteilen -sowie einem ersten und einem zweiten Endteil gebogen ist, wobei die ersten Endteile sämtlicher Windungen nähe beieinanderliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulen- oder Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher längs der Achse des Generatorkanals ein Magnetfeld mit veränderlicher Feldstärke erzeugt werden kann, um tatsächlich an allen Stellen des Arbeitsabschnittes des Generatorkanals die gleiche Spannung zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens einige der zweiten Endteile einen größeren Abstand voneinander aufweisen als die ersten Endteile.

Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Endteile mit Öffnungen versehen, die einen durch die Wicklungsanordnung sich senkrecht zur Achse jeder Windung erstreckenden Durchlaß für den /langgestreckten Strömungskanal der magnetohydrodynamischen Einrichtung bilden. /

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes besteht die Wicklungsanordnung aus zwei einander gleichen, in Reihe geschalteten und übereinander angeordneten Wicklungen, wobei die Achsen der betreffenden Windungen aufeinander ausgerichtet sind.

Die Vorteile der neuen Spulen- oder Wicklungsanordnung nach der Erfindung sind darin zu sehen, daß einerseits die Masse der Stromleiter an den Enden der Spulenwicklung viel kleiner ist als bei der sattelförmigen Gestaltung und daß andererseits der Leistungsverliist in den Endteilen der Spulenwicklimg stark herabgesetzt ist; außerdem Hiebt der Strom in den rZndteilen der Wicklungsanordnung viel näher an dem Beieidi, wo das Magnetfeld vorhanden sein soll, als im FaIIe eines sattelförmigen Aufbaus.

Das von di-in Γίπüberstrom in einer gegebenen

Windung erzeugte magnetische Feld liefert keinen Beitrag zu dem Magnetfeld außerhalb dieser Windung. Das Magnetfeld wird also in Richtung der weiter voneinander entfernten Endteile der Windungen der Wicklungsanordnung immer schwächer. Je f nach dem Muster, nach welchem die Windungen den von diesen umschlossenen Magnetfeldbereich überdecken, kann auf einfachste und vorteilhafte Weise jede gewünschte Verteilung des magnetischen Feldes erzielt werden.

In dem nun folgenden Beschreibungsteil soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Inder Zeichnung ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines MHD-Generators,

Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung einer nach der Erfindung aufgebauten Spulenanordnung für einen MHD-Generator, wobei der Abstand der Windungen voneinander übersteigert und der Kanal mit ao gestrichelten Linien dargestellt wurde, um die Durchlässe an den End teilen der Windungen zu zeigen,

F i g. 3 ein Längsschnitt nach der Linie 3-3 in der Fig. 2,

F i g. 4 ein Längsschnitt durch eine Abwandlung as der Ausführungsform nach der Fig. 2 mit zwei übereinander angeordneten Wicklungen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des elektrischen Stromkreises einer Spulenanordnung nach F i g. 4 und die

F i g. 6 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der Magnetfeldstärke vom Ort auf der Achse des MHD-Kanals zeigt.

Da eine Kenntnis der allgemeinen Prinzipien, nach denen ein MHD-Generator arbeitet, für das Verständnis der Erfindung von Nutzen ist, ist in der Fig. 1 ein MHD-Generator schematisch dargestellt. Wie zu ersehen ist, weist der Generator einen sich erweiternden Kanal 1 auf, in den ein elektrisch leitendes Gas oder Plasma mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck eingelassen wird, wie durch den Pfeil 2 angedeutet, aus welchem Kanal das Gas oder Plasma bei 3 (Pfeil) austritt. Der Druck am Austrittsende des Kanals ist niedriger als am Einlaß, aus welchem Grunde das Plasma sich mit hoher Geschwindigkeit durch den Kanal bewegt, wie durch den Pfeil bei 4 angedeutet. Durch geeignete Wahl des Druckunterschiedes und der Gestalt des Kanals kann erzielt werden, daß das Plasma sich durch den Kanal mit im wesentlichen gleichbleibender Geschwindigkeit bewegt, was für das Arbeiten des Generators erwünscht, aber nicht notwendig ist. Der Kanal wird außen von einem fortlaufenden elektrischen Leiter in Form einer Wicklung 5 umgeben, der aus einer herkömmlichen Stromquelle oder aus dem Generator selbst ein elektrischer Gleichstrom zugeführt wird. Der durch die Wicklung fließende elektrische Strom erzeugt einen den Kanal senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasmas und zur Ebene der Zeichnung durchziehenden Magnetfluß.

Im Kanal sind die einander gegenüberstehenden Elektroden 6 und 7 angeordnet, welche sich längs des Kanals parallel zur Richtung der Plasmaströinung erstrecken und auf einer zur Richtung der Piasinaströmung und zum Magnetfluß senkrechten Achse einander gegenüberliegend angeordnet sind. Durch das sich mit großer Geschwindigkeit durch das Magnetfeld bewegende elektrisch leitende Plasma wird zwischen den Elektroden eine in einer Richtung wirkende EMK induziert, wie durch die Pfeile · bei 8 angedeutet.

An die Elektroden 6 und 7 ist über die Leiter 11 und 12 eine Belastung 13 angeschlossen, durch die unter der Einwirkung der zwischen den Elektroden induzierten EMK ein elektrischer Strom fließt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ohne weiteres zu ersehen, daß bei einem MHD-Generator der genannten Art ein ortsfestes Magnetfeld und eine sich nach einer Richtung bewegende Gasströmung benutzt wird. Ein solcher Generator stellt eine Gleichstromquelle dar. Wird ein Wechselstrom gewünscht, so muß der Generator anders aufgebaut werden, oder es muß eine Hilfseinrichtung vorgesehen werden, die den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Die in den F i g. 2 und 3 dargestellte Spulenanordnung umfaßt'eine Wicklung 20, die aus mehreren in Reihe geschalteten Windungen 21 bis 25 besteht. Als Beispiel sind fünf in Reihe geschaltete Windungen dargestellt.

Von der am weitesten außen liegenden Windung 21 der Spulenwicklung 20 wird ein Magnetfeldbezirk 26 umschlossen (Fig. 2). Zwecks Isolierung der Windungen voneinander und von dem notwendigen tragenden Aufbau ist eine Isolation 27^ z. B. PoIyterephthalsäureester mit einer Dicke von ungefähr 0,25 mm vorgesehen. '/ '

Mit der am weitesten innen liegenden ^indung 25 beginnend kann die Wicklung in der Weise hergestellt werden, daß ein Streifen eines isolierten leitenden Materials, z. B. aus Kupfer, zu einer Windung mit annähernd rechteckiger Form gebogen wird, wie in der Fig. 2 dargestellt. Andererseits können.die Windungen aus einzelnen Abschnitten bestehen, die mit-', einander verlötet werden, um die Herstellung und' das Zusammensetzungen der Wicklung zu erleichtern und/oder um in einfacher Weise die Dicke des leitenden Materials verändern zu können. Alle nachfolgenden Windungen werden dann auf der Oberseite der vorhergehenden Windung in genau derselben Weise geformt, wie herkömmliche Spulen gewickelt werden. Die Mittelteile 28 und die Endteile 29 der Windungen an dem einen Ende der Spulenwicklung (nach der F i g. 2 das untere Ende) liegen nahe beieinander, während die Endteile 30 gegenüber den Endteilen 29 der Windungen an verschie-, denen Stellen über den Magnetfeldbezirk 26 hinweggeführt sind. Die an dem einen Ende der Spulenwicklung liegenden Endteile 30 der Windungen weisen daher einen größeren Abstand voneinander auf als die gegenüberliegenden Endteile 29 der Windungen. Durch diese Anordnung wird eine Spulenwicklung geschaffen mit mehreren Windungen, deren Achsen 21« bis 25a (Fig. 3) sämtlich in derselben Ebene liegen, jedoch einen Abstand voneinander aufweisen. Die Endteile 29 und 30 einer jeden Windung sind mit öffnungen versehen, .wodurch ein Durchlaß 31 geschaffen wird, der sich durch die Endteile der Spulenwicklung senkrecht zu den Achsen der Windungen erstreckt. Die Breitenabmessiingen des leitenden Materials verlaufen parallel zu den Achsen der Windungen, woraus folgt, daß die gegenüberliegenden Öffnungen 32 jeder Windung senkrecht zur Dreitenabmessung des leitenden Materials liegen. Der vorgenannte Durchlaß M ist.so aii;',L'oidnet, daß durch die Spuleiiwickhinij <lt-T Strömlings-

kanal des MHD-Generators senkrecht zu den Achsen der Windungen hindurchgeführt werden kann.

Die Endteile 29 und 30 der Windungen werden vorzugsweise etwas dicker bemessen als die Mittelteile 28, um eine Konzentration des Stromes in der Nähe der öffnungen 32 an den Endteilen zu vermeiden, die zu einem übermäßig hohen Leistungsverbrauch und zu einer Erhitzung führen kann.

Die Impedanz eines Magneten mit einer gegebenen Größe wird grundsätzlich von der Anzahl der Windungen bestimmt. Wird eine hohe Impedanz gewünscht, so kann die Anzahl der Windungen übermäßig groß werden, so daß die Isolation zwischen den Windungen einen großen Teil des Spulenvolumens in Anspruch nimmt, wodurch der Packungsfaktor verkleinert und der Leistungsverbrauch erhöht wird. Diese Schwierigkeit kann wenigstens zum Teil in begrenztem Ausmaß dadurch vermieden werden, daß die Spule in zwei Abschnitten 41 und 42 hergestellt wird, von denen jeder Abschnitt an den Endteilen der Windungen eine halbe Öffnung 32 aufweist, wie in der F i g. 4 dargestellt.

Nach den Fig. 4 und 5 können die beiden Abschnitte 41 und 42 übereinandergelegt und in Reihe geschaltet werden. Bei dieser Anordnung soll die Dicke des leitenden Materials ungefähr das Doppelte der Dicke des leitenden Materials bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Konstruktion mit einem einzigen Abschnitt betragen. Der von der aus zwei Abschnitten bestehenden Anordnung nach der F i g. 4 geschaffene elektrische Stromkreis ist in der Fig. 5 dargestellt.

Wie zu ersehen ist, verlaufen alle Windungen der Spule nicht über deren volle Länge hinweg. Statt dessen wird der Endteil mindestens einiger Windungen über den Magnetfeldbezirk an wesentlich verschiedenen Stellen hinweggeführt. Da der in einer innenliegenden Windung (z. B. Windung 25) fließende Strom keinen Beitrag zu dem außenliegenden Magnetfeld leistet, so vermindert sich die Magnetfeldstärke im Magnetfeldbezirk in der Richtung der einen größeren Abstand voneinander aufweisenden Endteile der Windungen, wie in der F i g. 6 dargestellt. Je nach dem Muster, nach dem die Windungen über den Magnetfeldbezirk hinweggeführt werden, kann jede gewünschte Feldyerteilung erhalten werden.

Die über den Magnetfeldbezirk hinweggeführten Windungen sowie die gan2e Spulenwicklung soll ver-

stärkt werden, um den magnetischen Beanspruchungen während des Ein- und Ausschaltens der Wicklung sowie im Betrieb widerstehen zu können. Bei den Windungen am Umfang der Spule sind die auf-

tretenden Kräfte allgemein nach außen gerichtet, während auf die den Magnetfeldbezirk überquerenden Windungen eine Kraft allgemein senkrecht zu den Achsen der Windungen einwirkt, die sich auf den den Magnetfeldbezirk überquerenden Teil der

ίο Windungen verteilt.

Die Windungen können z.B. in der Weise verstärkt werden, daß in den Räumen 45 bis 49 zwischen den Windungen ein geeignetes nicht zusammendrückbares und unmagnetisches Material vorgesehen wird. Eine Verschiebung an der Außenseite der Spule kann z. B. durch Glieder mit I-förmigem Querschnitt verhindert werden, die durch Verspannungsglieder miteinander verbunden werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Spulen- oder Wicklungsanordnung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes für magnetohydrodynamische Einrichtungen, bei welcher jede der hintereinandergeschalteten Windungen aus

as einem, breiten Streifen eines Materials mit großer elektrischer Leitfähigkeit besteht, der zu einer annähernd rechteckigen Form mit zwei Mittelteilen sowie einem ersten und einem zweiten Endteil gebogen ist, wobei die ersten Endteile sämt-

licher Windungen nahe beieinanderliegen, da-, durch gekennzeichnet, daß mindestens

einige der zweiten Endteile (30) einen größeren

Abstand voneinander aufweisen als die ersten Endteile (29).

2. Spulen- oder Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Endteile (29, 30) mit Öffnungen versehen sind, die einen durch die Wicklungsanordnung sich senkrecht zur Achse jeder Windung (z. B. 21a) erstreckenden Durchlaß (31) für einen langgestreckten Kanal (1) der magnetohydro-. dynamischen Einrichtung bilden.

3. Spulen- oder Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsanordnung aus zwei einander gleichen, in Reihe geschalteten und übereinander angeordneten Wicklungen besteht und daß die Achsen der betreffenden Windungen aufeinander ausgerichtet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen