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Bild .1: Spule 1 vor erster Inbetriebnahme
An dieser Stelle möchten wir Herrn E. Schneider unseren Dank aussprechen. Er ist uns bei den Feldberechnungen beratend zur Seite gestanden und hat uns in das Programm FLD11 zur Berechnung achsensymmetrischer Felder eingeführt.
Des weiteren danken wir Herrn K. Haudenschild für die Fertigung der mechanischen Teile, sowie Herrn Feurer für das Wickeln der ersten Spule. Vielen Dank!
Für die Realisierung unserer Arbeit stand die Abschätzung der magnetischen Kraft eines Spulenaufbaus im Zentrum.
Einen möglichst guten Aufbau zu finden war demzufolge das erste Problem, das sich uns stellte. Begonnen haben wir unsere Überlegungen mit einer Luftspulenanordnung, welche wir mit Hilfe von Mathematica auch simulierten [Anhang A1].
Bild .2: Aufbau der Luftspulenanordnung
Leider mussten wir feststellen, dass sich das Feld zu stark um die Leiterstücke konzentriert und so der Strom für die benötigte Kraft viel zu gross würde.
Nach diesem Ergebnis gingen wir daran, diverse Literatur zu durchstöbern, welche sich mit ähnlichen Problemen befasst. Interessant schien uns dann der Aufbau eines magnetischen Lastenhebers, welcher gemäss Literatur Bleche aus 1m Entfernung anheben kann.
Bild .3: Querschnitt durch einen magnetischen Lastenheber
Dieser Aufbau ist nicht geeignet, weil sich die Kugel damit nicht positionieren lässt.
Nach dem Vergleich mit vielen Varianten kristallisierte sich ein Aufbau mit drei Spulen heraus.
Bild .4: Eine der drei Spulen
Die Simulation zeigt, dass wir uns auf dem richtigen Weg befinden [Anhang A2].
Bild .5: Beispiel eines simulierten Feldlinienbildes
Nachdem wir eine geeignete Geometrie gefunden hatten, galt es jetzt, die Spule anhand der Simulationsergebnisse zu dimensionieren.
Die Dimensionierung ist extrem schwierig, da sich viele Parameter nur grob schätzen lassen.
Der Drahtdurchmesser, wie auch die Verlustleistung der Spule, wurden anhand der Simulationsergebnisse bestimmt [Anhang A3].
Die hohe Verlustleistung und die schlechte radiale Wärmeleitfähigkeit der Wicklung veranlassten uns, eine Wärmesimulation vorzunehmen. Zu diesem Zweck stellten wir ein Wärmeersatzmodell auf. Die ersten Ergebnisse der Wärmesimulation zeigten klar auf, dass die Spule gekühlt werden muss [Anhang A4]. Die Kühlung mussten wir zweiteilig ausführen.
Bild .6: Anordnung der zweiteiligen Kühlung
Als Kühlmedium verwenden wir Leitungswasser.
Alle mechanischen Teile hat Herr Haudenschild gefertigt [Anhang A5]. Gewickelt wurde die Spule bei der Firma Feurer und Mooser AG in Schmerikon, wobei wir hier tatkräftig zur Seite standen. Unsere umfangreichen Vorbereitungen wurden mit einer problemlosen Herstellung der Spule belohnt.
Bild .7: Herr Feurer und Herr Märki beim Wickeln der ersten Spule
Die Spule enthält fünf Temperatursensoren vom Typ KTY10.
Sie ermöglichen uns die Wärmesimulation zu überprüfen und die Spule vor Überhitzung zu schützen [Anhang A6].
Erste Versuche mit einer Blechkugel zeigten, dass wir den Aufbau und die Grösse der Spule, sowie den Spulenfluss richtig gewählt hatten. Die auftretenden Kräfte sind sehr eindrücklich.
Obwohl das Wärmeableitvermögen der Kühlung nicht ganz die erhofften Resultate brachte, waren wir mit der Kühlung zufrieden [Anhang A7].
Da wir durch Messungen an der ersten Spule einige Wärmeparameter genauer bestimmen konnten, war es uns möglich, die Kühlung für die nächsten Spulen noch zu optimieren.
Vorallem die äussere Kühlung haben wir verbessert. Wir achteten dabei auf einen möglichst einfachen Aufbau im Bezug auf die Herstellung. Besonders wichtig war der Übergangswiderstand von der Kühlung zur Spulenwicklung. Dieser spielt eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit der Kühlung [Anhang A8].
Bild .8: Prinzip der äusseren Kühlung für die zweite und dritte Spule
Bild .9: Kupferteile für die äussere Kühlung
Für die Bestimmung der Kraftvektoren auf eine Testkugel musste eine einfache und möglichst sensitive Einrichtung gefunden werden. Nach längerem Suchen einer derartigen Einrichtung hiess es, eine solche selbst zu entwickeln. Verschiedene Konzepte wurden dabei durchgedacht, bis wir eine geeignete Lösung gefunden hatten: ein Piezo-Kraftsensor. Damit lassen sich dynamische Kräfte messen.
Bild .10: Sensorik für die Kraftmessung
Die Federscheiben wurden so angeordnet, dass nur die Kraft in einer Richtung gemessen wird.
Das von den Piezo-Keramikscheiben gelieferte Signal wird mit einem Verstärker (Ladungsverstärker) für die Messung aufbereitet.
Bild .11: Verstärkerschaltung für die Kraftmessung
Den Messingträger montierten wir drehbar, damit wir die Kraftvektoren in sämtliche Richtungen bestimmen konnten.
Der Zusammenhang zwischen Kraft und Strom durch die Spule ist wie erwartet ungewohnt:
Bild .12: F=f(I) der ersten Spule
Ohne die Hysterese des Eisens hätte man eine quadratische Kennlinie.
Die gesamte Messanordnung und die Resultate sind im Anhang ersichtlich [Anhang A9].
Der Weg bis zur Fertigstellung der beiden Spulen war steinig. Beispielsweise war während dieser Zeit die mechanische Abteilung am ITR überlastet, so dass wir viele Teile selbst fertigten.
Es hatte auch sehr interessante und lehrreiche Abschnitte auf diesem Weg. Wie zum Beispiel das Wickeln der Spulen, welches wir mit der Wickelmaschine im Hause vornahmen. Sie ist zwar nicht für unsere Spulenabmessungen, insbesondere nicht für unseren Drahtdurchmesser ausgelegt, doch war sie gerade noch in der Lage die Spule zu drehen.
Wir änderten nicht nur die äussere Kühlung, sondern auch den Aufbau der Temperatursensoren [Anhang A10].
Bild .13: Aufbau der Temperatursensoren für die zweite und dritte Spule
Zudem verwendeten wir eine dünnere Isolationsfolie, um die thermische Leitfähigkeit in radialer Richtung zu verbessern.
Ein ganz neues Problem stellte sich für uns beim Vergiessen der Spulen. Dieses Vergiessen ist unerlässlich im Hinblick auf die thermische Leitfähigkeit. Zum einen mussten wir eine bessere Vergussmasse finden und zum anderen diese in die Spule bringen. Bei der Vergussmasse entschieden wir uns für Silikon-Kautschuk, was für unsere Anwendung genau das richtige war. Denn Silikon-Kautschuk hat einen guten thermischen Leitwert und beste elektrische Eigenschaften. Durch Evakuieren der ganzen Spule brachten wir die Masse in die Spule.
Bild .14: Aufbau der "Spulenvergiessung"
Das Wärmeverhalten der zweiten und dritten Spule haben wir ebenfalls ausgemessen. Wir stellten fest, dass die optimierte Kühlung noch bessere Resultate liefert als die der ersten Spule [Anhang A11].
Bild .15: Wärmeverhalten der Spule III
Die Messung der Induktion ermöglicht uns das Regeln des magnetischen Feldes. Hierfür musste eine geeignete Konstruktion gefunden werden, welche möglichst einfach herzustellen ist und sich einfach montieren und demontieren lässt.
Ebenfalls sollte dieser Aufbau die Unterbringung des US-Senders erlauben, was wir dann auch realisierten [Anhang A12].
Bild .16: Aufbau für B-Feldmessung und US-Sender
Die starken Wechselfelder zwangen uns, unmittelbar nach den Hallsensoren Vorverstärker und Leistungstreiber einzubauen.
Bild .17: Schaltung zur B-Feldmessung
In der Folge benutzten wir den Aufbau zur Messung des B-Feldes für die Kontrolle unseres Spulendesigns. Zu diesem Zweck ermittelten wir die Grösse des axialen B-Feldes an verschiedenen Orten im Kerninnern und unterhalb der Spule [Anhang A13].
Bild .18: Illustration zur B-Feldmessung
Die Messung zeigt, dass unsere Abschätzungen gut waren. Der Feldverlust im Kerninneren ist gut verkraftbar. Einen kleineren Feldverlust hätte man mit einem dickeren Kern erreichen können. Dies hätte jedoch wieder grössere elektrische Verluste zur Folge.
Bild .19: B-Feldmessung bei 20A