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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung zylindrischer Elektromagnete, die aus einer Vielzahl von Ringspulen bestehen. Die vorliegende Erfindung ist von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die Herstellung von supraleitenden Spulen für Magnetresonanztomographie-(MRT-)Systeme, kann jedoch auch bei anderen, sowohl supraleitenden als auch resistiven Typen von Elektromagneten angewendet werden.
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In der Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren zum Herstellen zylindrischer Elektromagnete angewendet. Herkömmlicherweise wird ein zylindrischer Wickelkörper hergestellt, z. B. aus Aluminium, nichtrostendem Stahl oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), in welchem ringförmige Hohlräume mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet werden. Spulen aus Draht, zum Beispiel supraleitendem Draht, werden dann in diese ringförmigen Hohlräume gewickelt. Die resultierende Anordnung kann mit einem wärmehärtbaren Harz getränkt werden, um den Draht innerhalb der Wicklungen in Position zu halten.
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In jüngerer Vergangenheit wurden Verfahren vorgeschlagen, bei denen Spulen in Hohlräume innerhalb einer Form gewickelt werden, mit einer Stützstruktur, die an der radial äußeren Fläche der Spulen angeordnet ist, und die resultierende Struktur mit wärmehärtbarem Harz getränkt wird. Die Form wird anschließend entfernt, so dass die mit der Stützstruktur verbundenen getränkten Spulen zurückbleiben.
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Die ebenfalls anhängige
britische Patentanmeldung Nr. GB0912367.0 beschreibt eine Elektromagnetanordnung, bei welcher die Spulen über ihre radial äußeren Flächen mit einer radial äußeren mechanischen Stützstruktur verbunden sind.
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Die US-Patentanmeldung 2007-0247263 beschreibt eine andere Elektromagnetanordnung, bei welcher die Spulen über ihre radial äußeren Flächen mit einer radial äußeren mechanischen Stützstruktur verbunden sind, und ähnliche Anordnungen, bei denen die Stützstruktur zuerst in der Form angebracht wird, wobei die Spulen über die Stützstruktur gewickelt werden.
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Ein Nachteil dieser Verfahren ist, dass die relativen Positionen der Spulen nicht verstellt werden können. Obwohl es theoretisch möglich wäre, Mängel in dem resultierenden Magnetfeld durch Verstellen der relativen Positionen bestimmter Spulen zu beseitigen, ist dies in der Praxis bei Spulenkonstruktionen, welche durch Harztränkung mit einer Stützstruktur verbunden worden sind, nicht möglich.
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Ebenso erwies es sich als praktisch nicht möglich, eine einzelne Spule zwecks Reparatur oder Austausch aus einer solchen Anordnung zu entfernen, was dazu führt, dass die gesamte zylindrische Magnetspulenanordnung verschrottet werden muss, wenn auch nur eine einzige Spule defekt ist.
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Jedes neue Verfahren zum Zusammenbau von Ringspulen muss sicherstellen, dass die Spulen exakt relativ zueinander positioniert werden, und dass die Spulen sich unter der Einwirkung der erheblichen Kräfte, denen sie während des Betriebs ausgesetzt sind, nicht bewegen.
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Stützstrukturen für Spulen von supraleitenden Elektromagneten sind in den
US-Patentschriften Nr. 4,896,128 und
4,467,303 beschrieben. In jedem Falle wird eine Spule auf einen äußeren Teilwickelkörper geklemmt, indem das äußere radiale Ende der Spule zwischen einem Stufengebilde, das an der radial inneren Fläche des Teilwickelkörpers ausgebildet ist, und einem Klemmstück oder Klemmring zusammengedrückt wird. Während des Betriebs wirken dann axiale Kräfte von mehreren Tonnen auf die Spulen ein. Da die Spulen nur an ihrem radial äußeren Ende verspannt sind, werden durch Druck an ihren axial äußeren Enden hohe Spannungen innerhalb der Spulen aufgebaut. Wenigstens in 4,467,303 werden die Spulen durch thermisches Schrumpfen der äußeren Stützstruktur verspannt (z. B. Spalte 4, Zeilen 7–18). Die resultierenden Umfangs-, radialen und axialen Spannungen können eine Beschädigung der Struktur der Spulen verursachen, indem Risse in dem Tränkmaterial hervorgerufen werden. Eine resultierende Bewegung von Windungen der Spulen kann zu einem Quench führen. Die Spulen sind einer hohen mechanischen Beanspruchung an den Kontaktstellen der Spule mit dem Stufengebilde und den Klemmstücken oder dem Klemmring ausgesetzt. Die vorliegende Erfindung stellt supraleitende Elektromagnetanordnungen bereit, bei denen die mechanische Beanspruchung der Spulen nicht an lokal begrenzten Kontaktstellen konzentriert ist. Vielmehr ist gemäß der vorliegenden Erfindung jede Spule über ihre radial äußere Fläche mit einer äußeren mechanischen Stützstruktur verbunden. Hierdurch werden lokale Stellen mit hoher mechanischer Beanspruchung, zum Beispiel mit hoher Scherbeanspruchung innerhalb der Spulenstruktur, wie sie durch herkömmliche Spulentragelemente verursacht werden, vermieden.
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Die mechanische Belastung, die aus den auf jede Spule einwirkenden axialen Kräften resultiert, wird von einer großen Fläche der Spulenstruktur aufgenommen, dort, wo diese mit der radial äußeren mechanischen Stützstruktur verbunden ist.
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Der Begriff ”Elektromagnet” (”solenoidal magnet”) wird im Allgemeinen verwendet, um Zylindermagnete zu beschreiben, die aus einzelnen Spulen (Wicklungen) bestehen, obwohl solche Zylindermagnete möglicherweise keine ”Solenoide” (Zylinderspulen) im eigentlichen Sinne sind.
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Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen bereit, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung gewisser Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich, wobei:
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1A–1B einen Radial- und einen Axialschnitt durch eine Zylindermagnetanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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1C eine Vergrößerung eines Teils von 1B zeigt;
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1D eine aufgeschnittene Ansicht eines Verbundabschnitts zeigt, der in 1A–1C abgebildet ist;
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1E ein Distanzstück zeigt, das auch in 1A abgebildet ist;
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2A einen Axialschnitt durch eine Zylindermagnetanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2B eine aufgeschnittene Ansicht eines Verbundabschnitts zeigt, der in 2A abgebildet ist;
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2C eine aufgeschnittene Ansicht eines Distanzstückes zeigt, das auch in 2A abgebildet ist;
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3A einen Axialschnitt einer Spule mit daran befestigten Ansätzen für eine Zylindermagnetanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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3B eine aufgeschnittene Ansicht einer Spule mit einer Kruste und Ansätzen zeigt;
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3C und 3D Ansichten von Ansätzen zeigen, die in Spulen, wie sie in 3A dargestellt sind, verwendet werden können;
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3E eine beispielhafte Anordnung für das Verkleben von Ansätzen mit getränkten Spulen zeigt;
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3F zeigt eine Teilansicht einer Anordnung von Spulen, wie sie in 3A dargestellt ist;
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4 eine aufgeschnittene Ansicht einer Spule gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 einen axialen Teilschnitt durch eine Werkzeuganordnung zeigt, die zum Durchführen der Harztränkung bei einem Verfahren der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;
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6 einen Axialschnitt eines Magneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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7 einen Axialschnitt durch eine andere Werkzeuganordnung zeigt, die zum Durchführen der Harztränkung bei einem Verfahren der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;
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8 einen aus zwei Teilen bestehenden ringförmigen Stützabschnitt zeigt, wie er bei gewissen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird;
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9 einen radialen Teilschnitt durch eine Werkzeuganordnung zeigt, die zum Durchführen der Harztränkung bei einem Verfahren der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;
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10 ein Beispiel eines mechanischen Spulenausrichtungseinstellers zeigt;
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11 eine Spule und einen quadratischen Stützabschnitt zeigt;
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12 eine Anordnung zeigt, die der in 3F dargestellten ähnlich ist und verwendet werden kann, um abgestützte Spulen wie die in 11 dargestellte zu einer Magnetanordnung zusammenzubauen;
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13 eine einstellbare Spulenhalteanordnung zeigt, welche beim Zusammenbauen von abgestützten Spulen wie der in 11 dargestellten zu einer Magnetanordnung verwendet werden kann; und
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14 eine Anordnung zeigt, die bei gewissen Ausführungsformen der Erfindung zum Einstellen der Konzentrizität der Spulen von Nutzen ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zum Herstellen von Zylindermagneten bereit, sowie solcher Magnete, welche Ringspulen umfassen, die an ihren radial äußeren Flächen mit einer in Abschnitte unterteilten radial äußeren mechanischen Stützstruktur verbunden sind. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist jede Ringspule mit ihrem eigenen ringförmigen Abschnitt der radial äußeren mechanischen Stützstruktur verbunden.
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Bei einem beispielhaften Verfahren der vorliegenden Erfindung werden die einzelnen Spulen mit entsprechenden Abschnitten der Stützstruktur verklebt, um Verbundabschnitte zu bilden, wobei jeder dieser Verbundabschnitte eine mit Harz getränkte Spule umfasst, die mit einem ringförmigen Abschnitt der Stützstruktur verbunden ist.
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Die ringförmigen Abschnitte der Stützstruktur können aus einem Material wie etwa Aluminium oder einem Verbundwerkstoff wie etwa mit wärmehärtbarem Harz getränkten Glasfasern bestehen.
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Die einzelnen ringförmigen Abschnitte der Stützstruktur werden danach mittels geeigneter mechanischer Befestigungselemente, wie Zuganker, Distanzstücke und Verbindungselemente, aneinander befestigt, um eine vollständige zylindrische Magnetspulenstruktur zu bilden.
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Alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können das Befestigen der Spulen an den ringförmigen Abschnitten unter Verwendung des Tränkharzes beinhalten, welches während des Harztränkungs-Schrittes durchgeführt werden kann: in einem einzigen Tränkungsschritt, oder in zwei Tränkungsschritten, wie weiter unten erläutert wird.
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Bei einer gewissen Ausführungsform, bei der nur ein einziger Tränkungsschritt ausgeführt wird, werden die Spulen oder wird Draht in einen Formwerkzeug-Zapfen gewickelt. Das Wickeln kann für jede Spule separat durchgeführt werden, oder es können mehrere Spulen gleichzeitig in einem Chargenverfahren gewickelt werden.
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Die Spulen werden anschließend in entsprechende ringförmige Abschnitte der mechanischen Stützstruktur eingesetzt. Es werden Anordnungen, die den Fachleuten an sich wohlbekannt sind, vorgesehen, um sicherzustellen, dass jede Spule konzentrisch mit dem entsprechenden ringförmigen Abschnitt der Stützstruktur ist. Wenigstens die radial innere Fläche des ringförmigen Abschnitts wird für das Verbinden mit Harz vorbereitet. Dies kann einfach dadurch geschehen, dass sichergestellt wird, dass die Fläche sauber ist, doch vorzugsweise beinhaltet es eine gewisse Strukturierung der Fläche. Falls der ringförmige Abschnitt aus Aluminium besteht, kann die Vorbereitung ein Schritt des Eloxierens sein.
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Die resultierende Struktur kann als eine Form betrachtet werden, die den Form-Zapfen, welcher die Spule trägt, den ringförmigen Abschnitt der Stützstruktur mit der radial zwischen dem Zapfen und der Stützstruktur angebrachten Spule, mit geeigneten Werkzeugen zum Sicherstellen, dass der ringförmige Abschnitt und die Spule konzentrisch gehalten werden, und Wände der Form, um den Tränkungs-Hohlraum zu vervollständigen, umfasst.
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Die Formstruktur wird in eine Wanne eingesetzt. Es wird auf herkömmliche Weise ein wärmehärtbares Harz zugegeben, um die Spule zu tränken und die Spule mit dem ringförmigen Abschnitt zu verbinden. Wie an sich bekannt, kann, falls erforderlich, ein Füllstoff wie etwa Glasfasergewebe oder Glasperlen in einem Zwischenraum zwischen einer radial äußeren Fläche der Spule und einer radial inneren Fläche des ringförmigen Abschnitts angebracht werden. Während des Tränkungsschrittes wird ein solcher eventueller Füllstoff getränkt und bildet dann einen Teil der resultierenden Struktur, mit der Spule, die mit dem ringförmigen Abschnitt verbunden ist.
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Danach wird das wärmehärtbare Harz ausgehärtet oder aushärten gelassen. Die Wanne und der Zapfen werden entfernt, so dass die Spule und der ringförmige Abschnitt zurückbleiben, die durch das wärmehärtbare Harz miteinander verklebt sind, wobei ein eventuell vorgesehener Füllstoff in einer Schicht aus wärmehärtbarem Harz eingebettet ist, die radial zwischen der Spule und dem ringförmigen Abschnitt angeordnet ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform, welche zwei Tränkungsschritte umfasst, werden die Spulen zunächst in ein Formwerkzeug gewickelt. Das Wickeln kann für jede Spule separat durchgeführt werden, oder es können mehrere Spulen gleichzeitig in einem Chargenverfahren gewickelt werden. Vorzugsweise wird eine Füllstoffschicht, wie etwa Glasfasergewebe oder Glasperlen, über der radial äußeren Fläche der Spule innerhalb der Form angebracht.
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Jede Spule wird dann innerhalb der entsprechenden Form durch Zuführung eines wärmehärtbaren Harzes auf herkömmliche Weise getränkt. Danach wird das wärmehärtbare Harz ausgehärtet oder aushärten gelassen, und die resultierenden getränkten Spulen werden aus dem Formwerkzeug entfernt. Die Füllstoffschicht, falls vorhanden, hat dann eine mit Harz getränkte ”Kruste” auf der radial äußeren Fläche der Spule gebildet.
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Die äußere Fläche der Kruste jeder Spule wird danach vorzugsweise spanend bearbeitet, bis ein vorgegebener Durchmesser erreicht ist.
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Die Spulen werden anschließend in jeweilige ringförmige Abschnitte der Stützstruktur eingesetzt. Es werden Anordnungen, die den Fachleuten an sich wohlbekannt sind, vorgesehen, um sicherzustellen, dass jede Spule konzentrisch mit dem entsprechenden ringförmigen Abschnitt der Stützstruktur ist. Typischerweise ist ein schmaler ringförmiger Zwischenraum zwischen der radial äußeren Fläche der Kruste und der radial inneren Fläche des ringförmigen Abschnitts vorgesehen. Wenigstens die radial innere Fläche des ringförmigen Abschnitts wird für das Verbinden mit Harz vorbereitet. Dies kann einfach dadurch geschehen, dass sichergestellt wird, dass die Fläche sauber ist, doch vorzugsweise beinhaltet es eine gewisse Strukturierung der Fläche. Falls der ringförmige Abschnitt aus Aluminium besteht, kann die Vorbereitung einen Schritt des Eloxierens beinhalten.
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Danach wird wärmehärtbares Harz in den Zwischenraum zwischen der Kruste der Spule und dem ringförmigen Abschnitt der Stützstruktur eingebracht. Danach wird das wärmehärtbare Harz ausgehärtet oder aushärten gelassen. Der Zapfen wird entfernt, so dass die Spule und der ringförmige Abschnitt zurückbleiben, die durch das wärmehärtbare Harz miteinander verklebt sind, wobei die Krustenschicht radial zwischen der Spule und dem ringförmigen Abschnitt angeordnet ist.
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Nachdem ein vollständiger Satz von aus Spule und ringförmigem Abschnitt bestehenden Verbundelementen hergestellt worden ist, werden diese mechanisch miteinander kombiniert, um eine vollständige zylindrische Magnetspulenstruktur zu bilden, zum Beispiel unter Verwendung von Zugankern und Distanzstücken. Die relativen Positionen der einzelnen Verbundelemente und der in ihnen enthaltenen Spulen werden festgelegt, indem entweder der Abstand der Zuganker oder die Größe der Distanzstücke justiert oder eingestellt wird. Zum Beispiel können Distanzstücke verschiedener Größen zur Verfügung stehen, und/oder es können Einstellplättchen zu den Distanzstücken hinzugefügt werden, um die Ausrichtung und den Abstand der Spulen zu justieren.
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Die vorliegende Erfindung stellt in der Tat axial geteilte Spulenwickelkörper-Strukturen bereit, welche mechanisch zu einer modularen Magnetspulenstruktur zusammengebaut werden. Eine solche Anordnung ermöglicht es, dass die Magnetspulenstruktur zerlegt wird, was den Austausch oder die Nachbearbeitung einer einzelnen Spule innerhalb einer Magnetstruktur ermöglicht. Dies ist bei Anordnungen, bei denen alle Spulen mit einem einzigen Wickelkörper verbunden sind, nicht möglich.
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Im Folgenden werden gewisse spezielle Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Geformte Spulen mit Zugankern
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1A–1B zeigen einen Radial- bzw. einen Axialschnitt durch eine Zylindermagnetanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1C zeigt eine Vergrößerung des Teils von 1B, der mit IC gekennzeichnet ist. 1D zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines Verbundabschnitts, der eine Spule und einen ringförmigen Stützabschnitt umfasst.
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Wie oben erläutert, werden durch ein Verfahren, wie es oben beschrieben wurde, getränkte Spulen 10 gebildet und an ringförmige Abschnitte 12 einer Stützstruktur geklebt. Bei dieser Ausführungsform umfasst jeder ringförmige Abschnitt einen radial ausgerichteten Flansch 14, der sich radial von einem zylindrischen Teil 16 weg erstreckt, welcher mit der Spule 10 verbunden ist. Die Spule 10 selbst kann eine Wicklung 54 und eine aus einem mit Harz getränkten Füllstoff gebildete Krustenschicht 88 umfassen.
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Jeder radial ausgerichtete Flansch 14 ist mit einer Anzahl von Durchgangsbohrungen 18 versehen. Es ist eine Anzahl von Zugankern 20 vorgesehen, die sich an Positionen, die um den radial ausgerichteten Flansch 14 herum verteilt sind, durch die Durchgangsbohrungen 18 erstrecken. Über den Zugankern sind zwischen benachbarten Flanschen 14 Distanzstücke 22 vorgesehen, um einen gewünschten Abstand zwischen den Spulen 10 zu definieren und aufrechtzuerhalten. Wie in 1A und 1E dargestellt, können dies bogenförmige Teile sein, die ein oder mehrere langgestreckte, bogenförmige Löcher 25 zum Hindurchführen der Zuganker 20 aufweisen. Alternativ dazu kann ein einziges Distanzstück 22 als ein vollständiger Ring ausgebildet sein. Eine alternative Lösung, die darin besteht, rohrförmige Distanzstücke einzeln über den Zugankern 20 anzubringen, ist möglich, ist jedoch gegenwärtig nicht bevorzugt, da die vergrößerte Oberfläche von bogenförmigen Distanzstücken des abgebildeten Typs die Steifigkeit der Struktur als Ganzes verbessert. Die Distanzstücke sollten aus einem nichtmagnetischen Material, wie etwa aus Aluminium oder mit Harz getränktem Glasfasergewebe, hergestellt sein.
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Bei einer alternativen Ausführungsform können diese Distanzstücke aus einem magnetischen Material wie etwa Eisen hergestellt sein, vorausgesetzt, dass die Form, Position und Magnetisierung der Distanzstücke berücksichtigt werden, wenn der Magnet entworfen wird, zum Beispiel um das erforderliche Magnetfeld in einem Abbildungsbereich zu erzeugen, oder um als eine Abschirmung des Streufeldes für einen Magnetaufbau zu wirken, welcher keine aktiven Abschirmungsspulen aufweist.
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An jedem Ende des Zugankers sind Haltemittel 24 vorgesehen. Zum Beispiel können eine Mutter und eine Unterlegscheibe auf mit einem Gewinde versehenen Enden des Zugankers vorgesehen sein. Die Zuganker 20 und die Haltemittel 24 müssen von ausreichender Qualität sein und aus einem geeigneten Material bestehen, sowie in ausreichender Anzahl vorgesehen sein, um alle Kräfte aufzunehmen, die auf die Spulen während des Betriebs einwirken, sowie eventuelle Kräfte, welche unterwegs auf die Spulen einwirken können. Die Zuganker und Haltemittel bestehen vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material. Es wurde festgestellt, dass Bauteile aus nichtrostendem Stahl und Aluminium annehmbare Eigenschaften für eine Verwendung in diesem Anwendungsfall aufweisen, unter Berücksichtigung der thermischen und mechanischen Eigenschaften, die für die speziellen Teile erforderlich sind.
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Der Zusammenbau der Struktur von 1A bis 1C kann wie folgt durchgeführt werden. Jede Spule 10 wird separat mit einem entsprechenden ringförmigen Abschnitt 12 verbunden, um Verbundelemente herzustellen, von denen eines in 1D teilweise dargestellt ist. Die Verbundelemente werden über einer Hilfsvorrichtung gestapelt, welche die korrekte Ausrichtung der einzelnen Spulen auf der Achse A-A der Magnetanordnung sicherstellt, wie in 1B dargestellt. Die Hilfsvorrichtung kann eine geeignete Anzahl von demontierbaren Stützdornen umfassen, die auf einer Achse montiert sind. Die Distanzstücke 22 werden genau dimensioniert, zum Beispiel indem sie an jedem ihrer axialen Enden 22a innerhalb einer engen Toleranz eben geschleift werden. Dies gewährleistet die Ausrichtung und korrekte relative Positionierung der Spulen, wenn die Struktur zusammengebaut wird.
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Zu den Vorteilen, die eine solche Ausführungsform bietet, gehören folgende. Eine direkte manuelle oder mechanische Handhabung der Spulen ist nicht erforderlich – jede Spule wird durch den entsprechenden radial ausgerichteten Flansch 14 des ringförmigen Abschnitts 12 gehandhabt. Die Verwendung einer Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung bei Stapeln der Spulen und Zusammenbauen der Struktur von 1A–1C stellt sicher, dass die Spulen genau ausgerichtet werden, und gewährleistet eine konsistente und reproduzierbare Ausrichtung von Spulen in Magnetanordnungen. Falls eine Spule während des Zusammenbaus oder später beschädigt wird, ist es eine relativ einfache Aufgabe, die Befestigungsmittel 24 zu lösen, Spulen 10 und Distanzstücke 22 zwecks Zugang zu der beschädigten Spule zu entfernen und die beschädigte Spule auszuwechseln. Die übrigen Spulen und Distanzstücke können dann wieder angebracht werden, um die Magnetanordnung wiederherzustellen. Beim erneuten Zusammenbau der Magnetspulenanordnung sollte die Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung zum Ausrichten der Spulen verwendet werden.
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Bei einem beispielhaften 3-Tesla-Magnet des in 1A–1E dargestellten Typs wirkt auf die mittlere Spule keine resultierende axiale Kraft ein. Dagegen können die äußeren Spulen jeweils einer axialen Kraft von 400 Tonnen ausgesetzt sein, die zum axialen Mittelpunkt des Magneten gerichtet ist. Die Zwischenspulen können einer axialen Kraft von 100 Tonnen ausgesetzt sein, die zum axialen Mittelpunkt des Magneten gerichtet ist. Die mechanische Stützstruktur und die Struktur der Spulen selbst müssen in der Lage sein, solchen Kräften über einen längeren Zeitraum standzuhalten.
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Es müssen Vorkehrungen für elektrische Verbindungen vorgesehen sein, die zu und zwischen den Spulen vorgesehen werden müssen, jedoch um der Klarheit willen nicht dargestellt sind. Die Enden jeder Spulenwicklung 54 werden während des Tränkungsvorgangs mittels herkömmlicher Verfahren zugänglich gehalten.
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Falls eine zusätzliche Verstärkung der Anordnung erforderlich ist, zum Beispiel um einer eventuellen Verbiegung der Zuganker infolge der elektromagnetischen Kräfte und der unterschiedlichen thermischen Kontraktion der Komponenten entgegenzuwirken, kann eine Option in der Anbringung zusätzlicher Ringe bestehen. Solche Ringe können, falls erforderlich, den Enden der Struktur eine verbessere mechanische Festigkeit verleihen, und sie können auch dort positioniert werden, wo dies erforderlich ist, um den Einwirkungen der elektromagnetischen Kräfte und der unterschiedlichen thermischen Kontraktion auf die Stützstruktur entgegenzuwirken. Solche Endringe bestehen vorzugsweise aus nichtmagnetischem Material und sind an axialen Enden der Magnetspulenanordnung durch Zuganker 20 und Befestigungselemente 24, wie für einen ringförmigen Abschnitt 12, angebracht.
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Formspulen-Distanzringe
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Für Magnete mit relativ hohen axialen elektromagnetischen Kräften kann eine alternative Ausführungsform, welche Distanzringe (2A) anstelle von Zugankern (1B) verwendet, in Betracht gezogen werden, die zum Abstützen der Magnetspulen besser geeignet ist. Zu den Vorteilen der Verwendung von Distanzringen gehört, (1) dass der Außendurchmesser der Stützstruktur kleiner ist, da die Distanzringe sich näher an den Spulen befinden, und (2) dass ein eventuell auf die Stützstruktur einwirkendes Biegemoment verringert werden kann.
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2A zeigt einen Axialschnitt einer beispielhaften Magnetspulenanordnung mit drei Spulen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Struktur ist im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Achse A-A. Es sind Verbundabschnitte vorgesehen, die jeweils eine Spule 10 umfassen, die auf ihrer radial äußeren Fläche mit einer radial inneren Fläche eines ringförmigen Stützabschnitts 12 verklebt ist. Bei dieser Anordnung müssen keine radialen Flansche 14 an den ringförmigen Abschnitten 12 vorgesehen werden. Zwischen benachbarten ringförmigen Abschnitten 12 ist ein Distanzring 30 vorgesehen. Jeder Distanzring 30 weist einen radial nach innen gerichteten Flansch 32 auf, welcher genau dimensioniert ist, um eine korrekte Ausrichtung und einen korrekten Abstand der Spulen 10 sicherzustellen, wenn er zwischen benachbarten ringförmigen Abschnitten 12 positioniert ist.
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2B zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines Verbundelements, das eine Spule 10 und einen ringförmigen Abschnitt 12, wie er bei der Ausführungsform von 2A verwendet wird, zeigt. In einer radialen Position zwischen der Wicklung und dem ringförmigen Abschnitt kann eine Kruste aus mit Harz getränktem Füllstoff vorgesehen sein.
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An axialen Enden der Struktur sind Halteringe 34 vorgesehen. Diese weisen jeweils einen radial nach innen gerichteten Flansch 36 auf, welcher möglicherweise nicht genau dimensioniert sein muss, jedoch eben sein sollte, so dass er zu dem benachbarten ringförmigen Abschnitt korrekt ausgerichtet ist. Die Halteringe weisen jeweils einen radial nach außen gerichteten Flansch 38 auf, welcher auf eine ähnliche Weise, wie unter Bezugnahme auf 1A–1C beschrieben wurde, mit Durchgangsbohrungen versehen ist.
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2C zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines Distanzrings 30, wie er bei der Ausführungsform von 2A verwendet wird. Die Halteringe 30 weisen jeweils mindestens einen radial nach außen gerichteten Flansch 40 auf, welcher auf eine ähnliche Weise, wie unter Bezugnahme auf 1A–1C beschrieben wurde, mit Durchgangsbohrungen 18 versehen ist. Wie dargestellt, weist bei einer bevorzugten Ausführungsform jeder Distanzring 30 zwei radial nach außen gerichtete Flansche 40 auf, jeweils einen an jedem axialen Ende des Distanzrings. Die Bohrungen in den zwei Flanschen können zueinander ausgerichtet sein oder auch nicht, je nachdem, was für die gewählte mechanische Anordnung bevorzugt wird.
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Es werden Bolzen oder Zuganker mit an den Enden befindlichen Befestigungselementen oder ähnliche Anordnungen verwendet, um die Halteringe 34 zueinander hin zu beaufschlagen, die Struktur zusammenzudrücken und die Spulen 10 in ihren jeweiligen relativen Positionen zu halten. Die Zuganker 20 oder Bolzen können sich über die gesamte Länge der Magnetanordnung erstrecken und nur an ihren Enden befestigt sein, wie in 24 in 1B dargestellt, so dass die Halteringe 34 mittels der Zuganker oder Bolzen direkt miteinander verbunden sind, wobei die Zuganker oder Bolzen einfach durch die Durchgangsbohrungen in den Flanschen 40 der Distanzringe hindurch verlaufen.
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Alternativ dazu sind einige der Distanzringe 30 oder alle mit ein oder zwei sich radial nach außen erstreckenden Flanschen 40 versehen, welche jeweils mit einer Anzahl von Durchgangsbohrungen 18 versehen sind. Mit Bolzen oder Zugankern mit an den Enden befindlichen Befestigungselementen sind die Halteringe an den entsprechenden benachbarten Distanzringen befestigt und sind benachbarte Distanzringe aneinander befestigt, wie in 41 in 2A schematisch dargestellt ist.
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Die Trennung und Ausrichtung der Spulen 10 wird durch die korrekte Positionierung jeder Spule innerhalb des entsprechenden ringförmigen Abschnitts 12, die korrekte Dimensionierung des ringförmigen Abschnitts 12 und die Dicke der radial nach innen gerichteten Flansche 32 bestimmt.
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Die Magnetspulen müssen eine spezielle Ausrichtung zueinander aufweisen, um die Reihen-Magnetfeld-Harmonischen zu erzeugen, um die Gesamtform des homogenen (Abbildungs-)Bereiches des Magnetfeldes zu erzeugen. Sowohl die axiale als auch die konzentrische Ausrichtung der Spulen muss während der Herstellung berücksichtigt werden. Wenn jede Spule 10 axial und konzentrisch innerhalb einer geforderten Toleranz zu dem entsprechenden ringförmigen Abschnitt 12 ausgerichtet ist und die ringförmigen Abschnitte und Distanzstücke die erforderlichen Abmessungen aufweisen, können die Verbundabschnitte so zusammengebaut werden, dass die Spulen korrekt positioniert sind. Jede Abweichung dieser Abmessungen würde eine Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung erfordern, welche entweder zur Prüfung der Spulenausrichtung nach dem Zusammenbau verwendet werden kann, oder um die korrekte Ausrichtung der Verbundabschnitte während des Zusammenbaus aktiv zu unterstützen.
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Der Zusammenbau der Struktur von 2A kann wie folgt durchgeführt werden. Es wird eine Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung verwendet, um die korrekte axiale Ausrichtung der Spulen während des Zusammenbaus sicherzustellen. Zum Beispiel kann die Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung eine Anzahl von demontierbaren Stützdornen umfassen, die auf einer Achse montiert sind, die mit der Achse A-A der Magnetanordnung fluchtet. Eine erste Spule 10, die innerhalb ihres ringförmigen Abschnitts 12 verklebt ist, wird auf der Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung angeordnet. Danach wird ein Distanzring 30 über der ersten Spule angeordnet. Vorausgesetzt, dass der Distanzring ordnungsgemäß gefertigt wurde, ist es nicht notwendig, die Positionierung des Distanzrings mit Hilfe der Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung zu kontrollieren. Der Distanzring liegt dann auf dem ringförmigen Abschnitt 12, wobei eine geringfügige Abweichung seiner radialen Ausrichtung jedoch wahrscheinlich die Leistungsfähigkeit des Magneten als Ganzes nicht beeinträchtig. Anschließend wird eine nächste Spule 10 oben auf den Distanzring gestapelt und entsprechend der Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung ausgerichtet. Dieser Prozess setzt sich fort, bis alle Spulen und Distanzringe gestapelt worden sind. Gegebenenfalls werden Bolzen oder Zuganker verwendet, um Distanzringe miteinander zu verbinden, wobei sie sich durch Bohrungen in sich radial nach außen erstreckenden Flanschen der Distanzringe hindurch erstrecken. An axial äußeren Enden der Anordnung sind Halteringe 34 angeordnet. Ein Haltering 34 kann vor der ersten Spule gestapelt werden; alternativ dazu können beide Halteringe 34 in ihrer Position angebracht werden, nachdem die Spulen und Distanzringe positioniert worden sind. Anschließend werden Bolzen oder Zuganker durch Durchgangsbohrungen in den sich radial nach außen erstreckenden Flanschen 40 angebracht, um die Spulen 10 in ihrer Position zu halten, wie oben beschrieben. Gemäß der besagen Ausführungsform können sich die Bolzen oder Zuganker zwischen den Halteringen 34 erstrecken, oder nur zwischen einem Distanzring 30 und einem benachbarten Distanzring 30 oder Haltering 34. Radial nach innen gerichtete Flansche 32 werden genau dimensioniert, zum Beispiel indem sie auf jeder ihrer axial ausgerichteten Flächen innerhalb einer engen Toleranz geschliffen werden. Dies gewährleistet eine korrekte axiale Positionierung der Spulen, wenn die Struktur zusammengebaut wird. Die ringförmigen Abschnitte 12 können alle dieselbe axiale Abmessung d aufweisen, wobei unterschiedliche axiale Abstände der Spulen, falls gewünscht, durch eine geeignete Dicke e der radial nach innen gerichteten Flansche 32 der Distanzringe 40 bewirkt werden.
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Zu den Vorteilen, die eine solche Ausführungsform bietet, gehören folgende. Eine direkte manuelle oder mechanische Handhabung der Spulen ist nicht erforderlich – jede Spule wird durch den entsprechenden ringförmigen Abschnitt 12 gehandhabt. Die Verwendung einer Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung bei Stapeln der Spulen und Zusammenbauen der Struktur von 2 stellt sicher, dass die Spulen genau ausgerichtet werden, und gewährleistet eine konsistente und reproduzierbare Ausrichtung von Spulen in Magnetanordnungen. Falls eine Spule während des Zusammenbaus oder später beschädigt wird, ist es eine relativ einfache Aufgabe, die Befestigungsmittel 24; 41 zu lösen, einen Haltering 34, Spulen 10 und Distanzstücke 30 zwecks Zugang zu der beschädigten Spule zu entfernen und die beschädigte Spule auszuwechseln. Die übrigen Spulen und Distanzstücke und der Haltering können dann wieder angebracht werden, um die Magnetanordnung wiederherzustellen. Beim erneuten Zusammenbau der Magnetspulenanordnung sollte die Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung zum Ausrichten der Spulen 10 verwendet werden.
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Spulen mit an der radial äußeren Fläche befestigten Ansätzen
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3A zeigt eine axiale Ansicht einer Spule 10 mit daran befestigten Ansätzen 42 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind keine ringförmigen Abschnitte mit den Spulen 10 verbunden. Stattdessen sind an der radial äußeren Fläche 43 jeder Spule separate Ansätze 42 mit Durchgangsbohrungen 44 befestigt, die um die radial äußere Fläche in Umfangsrichtung beabstandet angeordnet sind. Eine Magnetanordnung kann dann zusammengebaut werden, indem Haltestangen 20 durch Durchgangsbohrungen 44 in den Ansätzen und durch Distanzstücke 22, wie sie in 1C und 1E dargestellt und unter Bezugnahme auf diese beschrieben sind, hindurchgeführt werden.
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Vorzugsweise ist die äußere Fläche jeder Wicklung 54 durch eine Krustenschicht 56 aus Glasgewebe oder Glasperlen geschützt, die mit dem zum Tränken der Spulen verwendeten wärmehärtbaren Harz getränkt ist. Dies schützt den Draht der Wicklungen vor einer mechanischen oder elektrischen Wechselwirkung mit den Ansätzen 42.
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Bei einem beispielhaften Herstellungsverfahren könnten die Ansätze 42 in der Form für die Harztränkung positioniert werden und in dem Schritt der Tränkung der Spule durch wärmehärtbares Harz mit der Spule verbunden werden. Es wurde festgestellt, dass dies eine zuverlässige Verbindung von hoher Festigkeit zwischen der Spule und den Ansätzen gewährleistet. In 3B ist eine aufgeschnittene Ansicht einer Spule dargestellt, die eine Wicklung 54 umfasst, wobei eine Kruste 56 aus mit Harz getränkten Glasperlen die radial äußere Fläche der Spule bedeckt. Da die Ansätze 42 innerhalb der für die Tränkung verwendeten Form angeordnet sind, können sie teilweise in die Kruste 56 eingebettet sein, was eine sichere Klebeverbindung zwischen jedem Ansatz und der Spule sicherstellt.
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Alternativ dazu kann die Spule auf herkömmliche Weise in einer Form mit wärmehärtbarem Harz getränkt werden; kann das Harz ausgehärtet oder aushärten gelassen werden; kann die Spule aus der Form entnommen werden; und können die Ansätze 42 dann unter Verwendung eines Klebstoffes mit der radial äußeren Fläche der Spule verbunden werden. 3C und 3D zeigen eine perspektivische Ansicht eines geeigneten Ansatzes 42 mit einem Hohlraum 46, der zum Aufnehmen des Klebstoffes 48 von Nutzen ist, bzw. eine aufgeschnittene Ansicht eines Ansatzes 42, der mittels eines Klebstoffes 48 mit der radial äußeren Fläche einer Spule 10 verklebt ist.
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3E zeigt schematisch eine beispielhafte Anordnung für das Verkleben von Ansätzen 42 mit Spulen 10. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich der Ansatz 42 axial über die Länge der Spule 10. An der radial inneren Fläche des Ansatzes ist ein Hohlraum 46 vorgesehen, um einen Klebstoff 48 aufzunehmen, welcher verwendet wird, um den Ansatz 42 mit der Spule 10 zu verbinden. Es ist ein Kanal 50 durch das Material des Ansatzes 42 hindurch bis in den Hohlraum 46 vorgesehen, um die Einführung des Klebstoffes in den Hohlraum zu ermöglichen. Der Ansatz wird an der radial äußeren Fläche 43 der Spule 10 angeordnet; Klebstoff wird durch den Kanal 50 in den Hohlraum 46 eingefügt, zum Beispiel unter Verwendung einer Spritze. Der Klebstoff wird dann aushärten gelassen, was eine feste Klebeverbindung zwischen dem Ansatz 42 und der Spule 10 liefert. In 3E ist außerdem ein Verlängerungsstück 52 dargestellt, ein optionaler Teil des Ansatzes, welcher sich bis zu einem axialen Ende der Spule 10 erstreckt. Dies ermöglicht eine einfache manuelle axiale Ausrichtung des Ansatzes auf der Spule, indem das Verlängerungsstück gegen die axiale Stirnfläche der Spule gedrückt wird. Das (die) Verlängerungsstück(e) kann (können) auch dazu beitragen, die Spule vor der Einwirkung der Kräfte zu schützen, denen sie während des Betriebs ausgesetzt ist. Solche Kräfte müssten anderenfalls ausschließlich mittels der Festigkeit der Verbindung aufgenommen werden, welche den Ansatz an der Spule hält.
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Bei alternativen Ausführungsformen können die Ansätze im Wesentlichen rechteckige radiale Querschnitte aufweisen und eine axiale Länge haben, die gleich der axialen Länge der Spule ist.
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3F zeigt eine Teilansicht einer Anordnung von Spulen 10 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, entlang einer Ebene durch die Löcher 44 gesehen, wie sie in IIIE in 3B und 3D dargestellt ist. Wie dargestellt, können die Spulen 10 zusammengebaut werden, indem Bolzen oder Zuganker 20 mit Endbefestigungsmitteln 24 durch die Durchgangsbohrungen 44 in den Ansätzen 42 hindurchgeführt werden und die Spulen unter Verwendung der Ansätze und der Distanzstücke 22 in ihrer Position festgeklemmt werden. Bei diesen Ausführungsformen ist es möglicherweise nicht notwendig, Distanzstücke 22 mit großem radialem Querschnitt zu verwenden, wie etwa dasjenige, das in 1E dargestellt ist, da die Distanzstücke an den Ansätzen zur Anlage kommen, welche selbst aus mechanisch festem Material wie etwa Aluminium hergestellt sein können, wobei die Grenzfläche mit den Spulen 10 durch die größere Grenzfläche des Ansatzes auf der Spule realisiert ist. Jedoch kann die Verwendung von Distanzstücken mit großem radialem Querschnitt die Steifigkeit der Anordnung als Ganzes auf vorteilhafte Weise verbessern.
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Der Zusammenbau der Anordnung von 3F wird auf eine Weise durchgeführt, die analog zu derjenigen ist, die unter Bezugnahme auf 1A–1C beschrieben wurde. Es wird eine Ausrichtungs-Hilfsvorrichtung verwendet, um die axiale Ausrichtung der Spulen sicherzustellen, wobei die Länge der Distanzstücke 22 die relativen axialen Positionen der Spulen bestimmt. Wie bei der Anordnung von 1A–1C werden die Distanzstücke 22 sorgfältig dimensioniert, zum Beispiel durch Fräsen ihrer axialen Enden.
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Zu den geeigneten Materialien für die Ansätze gehören Aluminium und Verbundmaterialien. Es wurde festgestellt, dass Aluminium und verschiedene Verbundmaterialien annehmbare Oberflächeneigenschaften für eine Verbindung mit Epoxidklebstoffen aufweisen, und es ist daher zu erwarten, dass sie geeignete Eigenschaften für eine Verwendung in diesem Anwendungsfall aufweisen, unter Berücksichtigung der Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (”thermal matching”) und der mechanischen Eigenschaften der speziellen Teile.
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In einem Beispiel kann eine mit einem Epoxidharz getränkte Spule unter Verwendung eines Epoxidklebstoffes mit einem Aluminiumansatz verbunden werden.
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Über der radial äußeren Fläche der Spulen kann eine Kruste aus mit Epoxidharz getränktem Gewebe oder Glasperlen oder Ähnlichem vorgesehen sein. Diese getränkten Krusten der Spulen können spanend bearbeitet werden, um sowohl die axiale Ausrichtung als auch die Ausrichtung in Umfangsrichtung für die Ansätze zu gewährleisten, bevor die Ansätze auf der radial äußeren Fläche der Kruste festgeklebt werden.
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Bei alternativen Anordnungen können die Ansätze an Ort und Stelle ausgebildet werden, z. B. durch Herstellung geeignet geformter Hohlräume in der Tränkungsform und Ausfüllen derselben mit Glasfasergewebe oder einem anderen Füllstoff vor der Durchführung des Tränkungsschrittes. Die resultierenden Ansätze sind leicht, nichtmagnetisch und Teil der Spulenstruktur selbst, wobei sie eine sehr hohe effektive Bindungsfestigkeit aufweisen.
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Die Anordnung von 3A–3C weist hinsichtlich der Zerlegung zwecks Auswechselung einer defekten Spule dieselben Vorteile auf, wie die Anordnungen von 1A–1C und 2.
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Spulen mit in die Kruste eingeformten Einsatzstücken
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4 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht einer Spule gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die mechanische Haltestruktur, welche mit der radial äußeren Fläche der Spule 10 verklebt ist, eine verdickte Kruste 56, die über der radial äußeren Fläche der Wicklung 54 ausgebildet ist. Es sind Durchgangsbohrungen 60 durch die Kruste vorgesehen. Diese werden vorzugsweise durch Einfügen rohrförmiger Einsatzstücke 62 in die Kruste während des Tränkungsschrittes ausgebildet. Alternativ dazu kann die Kruste ohne Durchgangsbohrungen gebildet werden; danach können überdimensionierte Löcher durch die Kruste gebohrt und die Einsatzstücke 62 in die Kruste eingeklebt werden. Bei anderen Ausführungsformen werden massive Metalleinsatzstücke vorgesehen, in welche Durchgangsbohrungen gebohrt werden, nachdem der Tränkungsschritt beendet ist. Bei noch weiteren Varianten sind keine Einsatzstücke vorgesehen, und es werden einfach Durchgangsbohrungen in die Kruste eingeformt oder gebohrt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Draht 54 der Spule auf einen Form-Wickelkörper gewickelt und in einer Form für die Harztränkung angeordnet, wobei die Form ausreichend Platz auf der radial äußeren Fläche des Drahtes aufweist, um die Kruste 56 aufzunehmen. Eine Anzahl von Einsatzstücken wird an geeigneten Stellen zusätzlich in der Form angebracht, und der verbleibende Raum innerhalb der Form wird mit Glasperlen, Glasgewebe oder einem anderen geeigneten Füllstoff gefüllt.
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Die Form wird geschlossen, und der Draht und die Kruste werden danach mit Harz getränkt, was zu der in 4 dargestellten Struktur führt. Die Durchgangsbohrungen 60 können mit einem entfernbaren Füllstoff wie etwa Wachs oder Modellierton gefüllt werden, um zu verhindern, dass das Tränkharz die Durchgangsbohrungen verstopft. Es können Elemente in der Form vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass die Einsatzstücke 62 in ihren korrekten Positionen angeordnet werden und verbleiben. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Netz (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass die Einsatzstücke 62 relativ zueinander und bezüglich der Wicklung 54 korrekt positioniert werden.
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Solche Spulenstrukturen können unter Verwendung von Zugankern oder Bolzen mit Distanzstücken zu einer vollständigen Magnetanordnung zusammengebaut werden, wie unter Bezugnahme auf andere Ausführungsformen erläutert wurde. Vorzugsweise sollten Distanzstücke mit einer großen axialen Fläche, wie in 1E dargestellt, verwendet werden, da diese die auf die Kruste einwirkende Last verteilen und der Magnetstruktur als Ganzes eine verbesserte Steifigkeit verleihen.
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Werkzeug für Chargenverfahren
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5 zeigt einen axialen Teilschnitt durch eine Werkzeuganordnung, welche bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um eine Harztränkung und ein Kleben mehrerer Spulen in einem einzigen Arbeitsgang durchzuführen. Wie dargestellt, werden mehrere Wicklungen 54 auf jeweilige Formwerkzeug-Zapfen 70 gewickelt. Wie dargestellt, können dies axial geteilte mehrteilige Zapfen für jede Spule sein, was es ermöglicht, jeden Zapfen aus seiner entsprechenden Spule zu entfernen, nachdem der Tränkungsschritt beendet ist. Ein Vorteil bei der Verwendung axial geteilter mehrteiliger Zapfen 70 ist, dass es einfach ist, Verteilerkanäle 72 zwischen den Teilen der Zapfen vorzusehen, die es ermöglichen, dass das Tränkharz durch den Zapfen die Spulen erreicht.
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Die äußeren Teile 74 der Form können die oben beschriebenen ringförmigen Stützelemente sein, welche in der fertiggestellten Struktur mechanisch mit Spulen 10 verbunden werden. Bei der dargestellten Anordnung erstrecken sich die äußeren Teile 74 jeweils axial über die Windung 54 der jeweiligen Spule hinaus und können so in einer Anordnung verwendet werden, wie sie in 2A–2C dargestellt ist. Alternativ dazu kann, indem die axiale Abmessung jedes ringförmigen Stützelements 74 in geeigneter Weise gewählt wird, eine Magnetanordnung der vorliegenden Erfindung zusammengebaut werden, ohne dass Distanzstücke zwischen den ringförmigen Stützelementen erforderlich sind. 6 zeigt eine solche Anordnung und wird im Folgenden beschrieben.
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Zwischen den ringförmigen Stützelementen 74 sind Dichtungen 76 wie etwa Elastomerringe vorgesehen, um zu verhindern, dass zwischen den Stützelementen Harz austritt. Die Zapfen 70, Wicklungen 54 und ringförmigen Stützelemente 74 sind von einer Harzwanne 80 umgeben, und es wird Harz unter Vakuum durch die Verteilerkanäle 72 eingeleitet, um die Wicklungen 54 zu tränken und sie mit den ringförmigen Stützelementen 74 zu verbinden. Alternativ dazu können die ringförmigen Stützelemente 74, die durch Dichtungen verbunden sind, die Funktion des äußeren Abschnitts der Wanne erfüllen, der bezüglich eines entfernbaren inneren Wannenabschnitts abgedichtet ist, wodurch die Menge an überschüssigem Harz verringert wird. Vorzugsweise ist eine Zwischenschicht wie etwa gewickeltes Glasfasergewebe zwischen der Wicklung und dem ringförmigen Stützelement 74 vorgesehen. Hohlräume 78 erleichtern den Fluss des Harzes. Die Flächen der ringförmigen Stützelemente, die gegenüber den Hohlräumen exponiert sind, sind vorzugsweise mit einem Trennmittel wie etwa PTFE (Polytetrafluorethylen) beschichtet, um das Entfernen von überschüssigem Harz zu erleichtern, nachdem der Tränkungsschritt beendet ist. Die Fläche der ringförmigen Stützstruktur, welche an die Wicklung grenzt, kann auf eine Weise vorbehandelt werden, welche die Bindung durch das Harz verbessert: zum Beispiel durch Sandstrahlen, Kugelstrahlen oder Eloxieren, falls sie aus Aluminium besteht.
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Nachdem das Harz eingeleitet worden ist und ausgehärtet oder aushärten gelassen worden ist, wird das Werkzeug demontiert, und überschüssiges Harz wird entfernt.
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6 zeigt einen Axialschnitt eines Magneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Spulen vorbereitet werden können, wie unter Bezugnahme auf 5 beschrieben wurde. Eine Anzahl von Spulen 10 auf ringförmigen Stützabschnitten 74 ist koaxial um eine Magnetachse A-A herum ausgerichtet, wobei sie vorzugsweise unter Verwendung einer Hilfsvorrichtung gestapelt werden, wie sie oben beschrieben wurde. An jedem Ende des Stapels sind Halteringe 34 angeordnet, wie sie unter Bezugnahme auf 2A beschrieben wurden, und Zuganker 20 erstrecken sich durch entsprechende Bohrungen in den Halteringen 34 hindurch und sind durch Befestigungselemente 24 fixiert, welche auf die Zuganker 20 Spannung ausüben, um die ringförmigen Stützabschnitte 74 zusammenzudrücken und sie in ihrer Position zu halten. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, separate Distanzstücke irgendwelcher Art zwischen den ringförmigen Stützabschnitten vorzusehen, da die axiale Abmessung jedes Stützabschnitts so bestimmt wird, dass, nachdem der Magnet zusammengebaut ist, der korrekte Spulenabstand gewährleistet ist. Es kann vorteilhaft sein, an Stirnseiten der ringförmigen Stützabschnitte Verriegelungsmerkmale vorzusehen, wie etwa eine erhabene Rippe um eine axiale Stirnfläche jedes Stützabschnitts herum, und eine entsprechende Vertiefung in der anderen axialen Stirnfläche jedes Stützabschnitts, wie zum Beispiel in 74a in 6 dargestellt. Falls diese Rippen und Vertiefungen präzise bearbeitet sind, kann es möglich sein, den Magnet ohne Verwendung der Hilfsvorrichtung zusammenzubauen, indem einfach die Spulen übereinander gestapelt werden und dabei sichergestellt wird, dass die Rippen und Vertiefungen an dem ringförmigen Abschnitt richtig ausgerichtet sind. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Zuganker sich durch Bohrungen in den Stützabschnitten erstrecken, die an der radial äußeren Fläche der Stützabschnitte angeordnet sind, zum Beispiel in Ansätzen, die an den radial äußeren Flächen der Stützabschnitte ausgebildet sind.
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Die Werkzeuganordnung für das Chargenverfahren von 5 und 6 und die zugehörigen Verfahren, die oben beschrieben wurden, können für das Wickeln und Tränken eines kompletten Magneten angewendet werden, wobei die Spulenpositionen durch die Wicklungszapfen definiert sind und die Spulen mit der Stützstruktur verbunden werden. Während des Prozesses wird die Stützstruktur einschließlich der Zapfen 70 dann demontiert. Die Zapfen und eventuelle andere Teile der Stützstruktur werden von den gestützten Spulen entfernt, und die mit ihren jeweiligen Stützabschnitten 74 verbundenen Spulen werden wieder zusammengebaut, typischerweise in derselben Reihenfolge, in der sie angeordnet waren, als sie getränkt wurden, um eine Magnetstruktur mit den korrekten Spulenpositionen herzustellen.
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Segmentierte äußere Stützabschnitte
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7 zeigt einen Axialschnitt durch eine Tränkungs-Werkzeuganordnung, welche derjenigen von 5 ähnelt. Bei dieser Anordnung bestehen die ringförmigen Stützabschnitte 80 aus mindestens zwei und vorzugsweise mindestens drei bogenförmigen Teilen. 8 zeigt allgemein einen ringförmigen Stützabschnitt 80, der aus zwei bogenförmigen Teilen 82 besteht. Jeder bogenförmige Teil ist mit Merkmalen 84 versehen, die es ermöglichen, die Teile miteinander zu verbinden, um vollständige ringförmige Stützabschnitte 80 zu bilden. In dem in 7 dargestellten Beispiel können diese Merkmale 84 Ansätze sein, die jeweils eine Durchgangsbohrung aufweisen, so dass Bolzen durch benachbarte Ansätze von benachbarten Abschnitten gesteckt werden können, um einen Stützabschnitt 80 zu bilden. Eine solche Anordnung ist insofern vorteilhaft, als, nachdem die Spulen 10 zu einer Magnetstruktur zusammengefügt worden sind, die Ansätze verwendet werden können, um den Magneten an einer Stützstruktur zu befestigen oder um äußere Spulen an dem Magneten zu befestigen.
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Bei der in 7 dargestellten Anordnung wird eine Anzahl von axial geteilten Zapfenstücken 86 zusammengehalten, zum Beispiel durch Festklemmen. Eine Anzahl von Wicklungen 54 wird in Zapfenhohlräume gewickelt. Über die Wicklungen 54 können Schichten aus Füllstoff, wie etwa Glasfasergewebe 88, gewickelt werden. Die ringförmigen Stützabschnitte 80 werden dann um die Wicklungen 54 herum, über dem Füllstoff 88, falls vorhanden, zusammengebaut, indem die bogenförmigen Teile 82 zusammengefügt werden. Die resultierende Anordnung wird in einer Harzwanne angeordnet. In dem dargestellten Beispiel weist die ”Wanne” in Wirklichkeit nur eine Innenwand 90 und einen Boden 92 auf, während die Außenwand faktisch durch die ringförmigen Stützabschnitte 80 gebildet wird. Zwischen den ringförmigen Stützabschnitten 80 und zwischen dem Wannenboden 92 und dem unteren ringförmigen Stützabschnitt 80 sind vorzugsweise Dichtungen 94 wie etwa Elastomerringe vorgesehen. Anschließend wird Harz 96 unter Vakuum in die Wanne eingeleitet und breitet sich über Harzfließwege 98 zwischen den Zapfenstücken aus, wie in dem vergrößerten Ausschnitt in 7 dargestellt ist. Das Harz tränkt die Wicklungen 54 und gegebenenfalls den Füllstoff 88 und bewirkt eine Klebeverbindung der resultierenden Spule mit dem äußeren Stützabschnitt. Das Harz wird ausgehärtet oder aushärten gelassen. Flächen der Zapfenstücke 86 und Flächen des ringförmigen Stützabschnitts, welche nicht mit der Spule verbunden werden sollen, werden vorzugsweise mit einem Trennmittel wie etwa PTFE (Polytetrafluorethylen) beschichtet, um die Demontage des Werkzeugs zu erleichtern, nachdem der Tränkungsschritt beendet ist.
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Diese Vorrichtung und das zugehörige Verfahren, das oben beschrieben wurde, gewährleisten das Wickeln und Tränken eines Satzes identischer Spulen, welche anschließend mit anderen Spulen kombiniert werden können, die auf eine ähnliche Weise hergestellt wurden, um eine fertige Magnetanordnung zu bilden.
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Vereinfachtes Wickel- und Tränkwerkzeug
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9 zeigt einen radialen Teilschnitt durch ein vereinfachtes Werkzeug, welches bei einem Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Vorbereiten von Spulen für den Zusammenbau zu einer Magnetstruktur der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In diesem Beispiel ist ein einziger Zapfen vorgesehen, der aus zwei axial geteilten Teilen 100 besteht und einen zwischen ihnen definierten Verteilerkanal 102 mit kleiner Querschnittsfläche aufweist.
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Ein ringförmiger Abschnitt 104 mit in ihm definierten Verteilerkanälen 106 ist über einer in den Zapfen gewickelten Wicklung 54 und einem eventuell vorhandenen Füllstoff 88 angeordnet. Ein wärmehärtbares Harz wird durch die Verteilerkanäle 106 eingeleitet, um den Füllstoff 88 und die Wicklung 54 zu tränken. Luft und überschüssiges wärmehärtbares Harz können über den Verteilerkanal 102 aus dem Zapfen austreten. Alternativ dazu kann die Harztränkung unter Vakuum durchgeführt werden. Ein Werkzeug 108 kann vorübergehend über dem Verteilerkanal 108 angebracht werden, um überschüssiges Harz zu sammeln. Das Werkzeug kann bezüglich des Zapfens mit einer Dichtung 110 abgedichtet werden. Bei der dargestellten Anordnung sind Schläuche an den Verteilerkanälen 106 befestigt, um das Harz zu der Spule zu transportieren. Alternativ dazu kann die Harztränkung auf herkömmliche Weise unter Verwendung einer Harzwanne durchgeführt werden. Das Tränkharz wird ausgehärtet oder aushärten gelassen. Die Zapfenstücke werden dann von der Spulenstruktur entfernt, so dass die Spule 10 zurückbleibt, die eine getränkte Wicklung 54 umfasst, welche mit dem ringförmigen Stützabschnitt 104 verklebt ist.
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Eine solche vereinfachte Werkzeuganordnung kann verwendet werden, um Spulenanordnungen gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung herzustellen. Ausführungsformen, wie sie in 4 dargestellt sind, bei denen der ringförmige Montageabschnitt aus getränktem Füllstoff besteht, können durch ein ähnliches Verfahren hergestellt werden, bei welchem der ringförmige Teil 104 der Form mit einer Trennschicht überzogen wird, um das Entfernen der Spule aus dem ringförmigen Teil zu ermöglichen.
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Bausatz von Spindler & Hoyer
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11 zeigt eine Spule 10, die an einem quadratischen Stützabschnitt 130 angebracht ist. Diese Anordnung kann mit einem der weiter oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden, zum Beispiel durch Herstellen einer mit Harz getränkten Spule mit irgendeinem herkömmlichen Verfahren, Ausrichten derselben bezüglich des quadratischen Stützabschnitts 130 und Verbinden der Spule mit dem Stützabschnitt, zum Beispiel durch einen zweiten Harztränkungs-Schritt, wobei möglicherweise vor dem zweiten Tränkungsschritt eine Füllstoffschicht wie etwa Glasgewebe oder Glasperlen zwischen der radial äußeren Fläche der Spule und der benachbarten Fläche des Stützabschnitts 130 angebracht wird. Alternativ dazu kann der quadratische Stützabschnitt 130 als ein Teil der Form während des ersten Tränkungsschrittes verwendet werden. In diesem Falle wird die benachbarte Fläche des Stützabschnitts 130 nicht mit einem Trennmittel beschichtet, sondern kann im Gegenteil durch Sandstrahlen, Kugelstrahlen oder Eloxieren dementsprechend aufgeraut werden, um eine zuverlässige Verbindung der Spule mit dem Stützabschnitt sicherzustellen.
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Es können, wie dargestellt, Durchgangsbohrungen 132 durch den Stützabschnitt vorgesehen sein. Für einen quadratischen Stützabschnitt, wie abgebildet, kann es besonders praktisch sein, vier Durchgangsbohrungen 132 vorzusehen, eine in der Nähe jeder Ecke des quadratischen Stützabschnitts; oder ein Vielfaches von vier Durchgangsbohrungen, die gleichmäßig auf die vier Ecken verteilt sind.
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12 zeigt eine Anordnung, die der in 3F dargestellten ähnlich ist und welche verwendet werden kann, um abgestützte Spulen wie die in 11 dargestellte zu einer Magnetanordnung zusammenzubauen. Wie dargestellt, und wie im Beispiel von 3F, können hohle Distanzstücke 22 über Zugankern 20 vorgesehen sein, um korrekte Abstände der Spulen 10 an den Stützabschnitten 130 sicherzustellen. Alternativ dazu können die Zuganker 20 auf ihrer gesamten Länge mit einem Gewinde versehen sein, zum Beispiel kann es sich um Gewindestangen aus Aluminium oder nichtrostendem Stahl handeln, und es können Muttern und Unterlegscheiben 24 auf beiden Seiten jedes Stützabschnitts 130 vorgesehen sein, um jede Spule in ihrer Position zu halten. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass die Positionen der Spulen 10 während des Zusammenbaus leicht justiert werden können.
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13 zeigt eine andere einstellbare Spulenhalteanordnung, welche beim Zusammenbauen von abgestützten Spulen wie der in 11 dargestellten zu einer Magnetanordnung verwendet werden kann. Die Zuganker 20 können bei dieser Anordnung mit einem Gewinde versehen oder gewindelos sein. An jeder Durchgangsbohrung 132 ist eine Gewindebohrung 134 vorgesehen, welche unter einem annähernd rechten Winkel seitlich in die Durchgangsbohrung 132 mündet. In den Gewindebohrungen sind Schrauben 136 vorgesehen. Nachdem eine Spule ausgerichtet worden ist, zum Beispiel unter Verwendung einer Hilfsvorrichtung, wie weiter oben beschrieben, werden die Schrauben 136 auf den Zugankern festgezogen, um die Spule in ihrer Position zu halten. Distanzstücke 22 wären dann nicht erforderlich. Die Enden der Schrauben 134 können konisch zulaufend sein, um eine zuverlässigere Fixierung der Spulen in ihrer Position auf den Zugankern zu gewährleisten.
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Ähnliche Anordnungen wurden verwendet, wobei zwölf Aluminiumbolzen M12 mit einer Zugbelastung von jeweils etwa 1 Tonne sich als ausreichend erwiesen, um einer axialen Kraft an den Endspulen eines 0,5-Tesla-Magneten in der Größenordnung von 10 Tonnen standzuhalten. Für Magnetkonstruktionen mit hoher Feldstärke können die Anzahl und die Größe der Zuganker vergrößert werden, um die erforderliche Konstruktionsfestigkeit zu gewährleisten.
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Bei einer Verbesserung dieser Anordnung kann eine Justierung der Konzentrizität der Spule ermöglicht werden, indem drei oder mehr Bolzen 138 an jedem Klemmpunkt verwendet werden, zum Beispiel wie in 14 dargestellt, wo vier Bolzen 138 vorgesehen sind, die zueinander und zu dem Zuganker senkrecht sind und durch Gewindebohrungen in einem Stützring 140 vorgesehen sind, der zu diesem Zweck auf wenigstens einer Seite des Stützabschnitts 130 vorgesehen ist. Bei solchen Ausführungsformen werden die Zuganker verwendet, ohne dass Distanzstücke 22 erforderlich sind. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Stützabschnitte 130 radial nach außen verlängert sein, um eine aktive Abschirmspule zu stützen (nicht dargestellt).
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Einsteller zur Spulenausrichtung
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Die oben beschriebenen Verfahren des Zusammenbaus sehen die Verwendung einer Hilfsvorrichtung vor, um die korrekte Ausrichtung und Montage der Spulen sicherzustellen. Möglicherweise wird es für notwendig befunden, eine mechanische Einstellung zwischen den Spulen vorzusehen, während die Anordnung sich auf der Hilfsvorrichtung befindet oder nachdem sie von der Hilfsvorrichtung abgebaut worden ist. Zum Beispiel kann ein elektrischer Strom durch den metallischen Querschnitt in dem Draht geleitet werden, und das resultierende Magnetfeld kann gemessen werden. Die axialen Spulenpositionen des Magneten können dann für die gewünschten Magnetfeld-Harmonischen optimiert werden. 10 zeigt ein Beispiel eines mechanischen Einstellers zur Spulenausrichtung, wie er bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnte. Er kann als ein einstellbares Distanzstück betrachtet werden. Zwischen zwei ringförmigen Stützabschnitten 120 trägt ein Halter 122 einen konischen Dreheinsteller 124. Ein radial inneres Ende des Einstellers weist eine konische Fläche 128 auf, welche an entsprechend konisch zulaufenden Flächen der benachbarten ringförmigen Stützabschnitte 120 anliegt. Der Einsteller weist eine mit einem Gewinde versehene Welle auf, welche sich durch eine Gewindebohrung in dem Halter 122 erstreckt. Der Einsteller weist vorzugsweise ein Kopfstück auf, das so gestaltet ist, dass es leicht mit einem Handwerkzeug bedient werden kann: zum Beispiel ein sechseckiges Kopfstück zum Drehen mit einem Mutternschlüssel; ein Innensechskant zum Drehen mit einem Inbusschlüssel; eine Vertiefung zur Aufnahme eines Schraubendrehers, und so weiter. Es sollten mindestens drei Einsteller um den Umfang der Stützabschnitte herum vorgesehen sein, an einer beliebigen gegebenen axialen Position.
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Der Einsteller zur Spulenausrichtung kann wie folgt betätigt werden. Während die Zuganker 20 nur leicht oder gar nicht gespannt sind, kann das Kopfstück jedes Einstellers gedreht werden, um die relative Ausrichtung der Spulen einzustellen. Durch Bewegen des Einstellers radial nach innen werden die Stützabschnitte und die daran befestigten Spulen an der betreffenden Umfangsposition weiter auseinander gedrückt, während eine Bewegung des Einstellers radial nach außen ermöglicht, dass sich die Stützabschnitte und die daran befestigten Spulen an der betreffenden Umfangsposition näher zueinander bewegen.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist die konische Fläche des Einstellers einen eingeschlossenen Winkel von 4° auf, was eine präzise Einstellung der Spulenausrichtung ermöglicht. Der Halter 122 kann ein vollständiger Ring sein, der angebracht wird, wenn die Spulen zusammengebaut werden. Alternativ dazu können einzelne Haltesockel an den erforderlichen Positionen, vorzugsweise in gleichen Abständen, um den Umfang der ringförmigen Halteabschnitte herum in einer bestimmten axialen Position angeordnet werden. Die Sockel können an den ringförmigen Halteabschnitten 120 durch geeignete Mittel, wie etwa Bolzen in Gewindebohrungen in den ringförmigen Halteabschnitten, befestigt werden.
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Entwickelt man diese Idee weiter, kann der konische Dreheinsteller 124 durch eine konisch zulaufende Stange ersetzt werden, welche radial in den konisch zulaufenden Zwischenraum zwischen ringförmigen Stützabschnitten gedrückt wird oder radial aus dem konisch zulaufenden Zwischenraum gelöst wird, je nachdem, was gewünscht wird, um eine korrekte Positionierung der Spulen zu erreichen. Die Verwendung einer konisch zulaufenden Stange hätte den Vorteil, dass sie eine größere Kontaktfläche mit dem ringförmigen Stützabschnitt gewährleistet, was die mechanische Punktbelastung auf den ringförmigen Stützabschnitten 120 verringert. Die konisch zulaufende Stange kann durch einen einstellbaren Gurt positioniert werden, der in Umfangsrichtung um die Halteabschnitte und die Stange herum verläuft, oder durch mit einem Gewinde versehene Einsteller ähnlich demjenigen, der in 10 dargestellt ist, welche an einer radial äußeren Fläche der Stange anliegen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute offensichtlich, dass innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, zahlreiche Varianten und Änderungen möglich sind.
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Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung, obwohl sie speziell unter Bezugnahme auf zylindrische supraleitende Magnete für MRT-Systeme beschrieben wurde, für zylindrische Elektromagnete für einen beliebigen Zweck angewendet werden, gleichgültig, ob sie supraleitend oder resistiv sind.
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Es wurde ein vollmaßstäblicher Prototyp eines Magneten hergestellt und getestet, mit Endspulen, welche mit der Stützstruktur in einem zweistufigen Tränkungsprozess verbunden wurden; er erwies sich als funktionsfähig bei 3 Tesla.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 0912367 [0004]
- US 4896128 [0009]
- US 4467303 [0009]
