DE3422567C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines toroidalen Magnetfeldes, mit einer Vielzahl von geteilten Spu­ lentragrahmen, die in radialer Richtung aufrecht angeordnet sind und jeweils eine toroidale Spule in einer Nut aufnehmen, und mit ein Verdrehen der Spulenanordnung verhindernden Trägern, die quer zwischen den Spulen angebracht sind und einer Verfor­ mung durch elektromagnetische Kräfte entgegenwirken.

In Spulenanordnungen zur Erzeugung eines toroidalen Magnetfel­ des, die z.B. bei einer torusförmigen Kernfusionsanlage verwen­ det werden, erfolgt die Erzeugung des toroidalen Magnetfeldes dadurch, daß man starke Ströme in derselben Richtung durch eine Vielzahl von Spulen fließen läßt, die in Form eines Torus angeordnet sind. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnet­ feld einerseits und den in den Spulen fließenden Strömen an­ dererseits treten erhebliche elektromagnetische Kräfte auf. Diese umfassen eine Kraft, die eine Ausdehnung der Spulen be­ wirken will; eine Zentripetalkraft, die die Tendenz hat, die Vielzahl von toroidalen Spulen zu ihrem Zentrum hin zu vereini­ gen; sowie eine Reaktionskraft, die durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Kraft und eines poloidalen Magnetfel­ des erzeugt wird und in der Weise wirkt, daß sie die toroidalen Spulen nach außen bewegen will.

Bei einer Spulenanordnung zur Erzeugung eines toroidalen Magnet­ feldes ergibt sich das Problem, wie man die auf die Spulen wir­ kenden elektromagnetischen Kräfte auffängt und wie man die in den Spulen auftretenden Beanspruchungen oder Deformationen auf ein Minimum bringt.

Bei einer herkömmlichen Anordnung mit kleinen Abmessungen ge­ mäß Fig. 1 und 2 sind toroidale Spulen 1 in Spulentragrahmen 2 aufgenommen und an einem Gestell 3 mit Schrauben 4 befestigt.

Im Falle einer Anordnung mit großen Abmessungen gemäß Fig. 3 bis 5 sind eine Vielzahl von Spulentragrahmen 2, die toroidale Spulen 1 enthalten, in ihrer präzisen radialen Form unterge­ bracht, wobei ihre Innenseiten zur Seite des Zentrums hin an­ geordnet sind. Keilflächen S sind an beiden Seiten der Innen­ seiten der Spulentragrahmen 2 ausgebildet und eng miteinander verbunden, so daß die elektromagnetische Kraft über die Keil­ flächen S richtig aufgenommen wird und die Spulenanordnung so­ mit in der Lage ist, sehr große elektromagnetische Kräfte aus­ zuhalten.

Um das Gewicht der toroidalen Spulen 1, die Beanspruchung durch Wärme und die elektromagnetische Kraft aufzunehmen, be­ steht der Spulentragrahmen 2 außerdem aus einem C-förmigen oberen Tragteil 2b und einem L-förmigen unteren Tragteil 2a, die über Verbindungsteile 2c und 2d miteinander verbunden sind. Der so aufgebaute Spulentragrahmen 2 ist am Gestell 3 mit Schrauben 4 befestigt, um die toroidalen Spulen 1 zu haltern. Um einer auftretenden Reaktionskraft Rechnung zu tragen, sind eine Verformung sowie ein Verdrehen der Spulenanordnung verhindernde Träger 8 zwischen den benachbarten Spulen in der Torusrichtung eingebaut, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, um den benachbar­ ten toroidalen Spulen Festigkeit zu verleihen. In jedem Falle hängt die mechanische Festigkeit der toroidalen Spulen 1, die aus Kupfer bestehen, zum größten Teil von den Spulentragrah­ men 2 ab.

In jüngerer Zeit besteht ein Trend, die Spulen mit großen Ab­ messungen zu bauen, damit starke Ströme über längere Zeit fließen können, was eine Erhöhung der Ausdehnungskraft und der Temperatur der Spulen mit sich bringt. Da man auch in den poloidalen Spulen starke Ströme fließen läßt, führt dies zu einer Erhöhung der Gegenkraft. Damit sind herkömmliche Spu­ lentragrahmen nicht mehr in der Lage, die auf die Spulen aus­ geübten Belastungen und Kräfte auszuhalten. Außerdem ist die mechanische Festigkeit der die Spulen halternden Spulentrag­ rahmen 2 nicht mehr ausreichend, insbesondere bei geteilten Spulentragrahmen, so daß wegen der mangelnden Festigkeit Ver­ schiebungen und Verformungen in der Spulenanordnung auftreten können.

Da weiterhin im Zuge der verschiedenen Untersuchungen der Kernfusion viele Instrumente zur Beobachtung des Plasmas ein­ gebaut werden, wird es schwierig, die eine Verformung durch elektromagnetische Kräfte verhindernden Träger frei anzuord­ nen. Damit wird es zugleich schwieriger, die auftretenden Reaktionskräfte wirksam aufzufangen.

Eine Spulenanordnung der eingangs genannten Art gemäß den Fig. 1 bis 6 ist aus der JP-OS 53-72 993 bekannt. Der jeweili­ ge geteilte Spulentragrahmen besteht dort aus einem unteren Tragteil, einem oberen Tragteil und einem Verbindungsteil, welches etwa auf halber Höhe der Spulenanordnung zwischen den ungefähr gleich großen Tragteilen angeordnet ist. Im inneren und zugleich im mittleren Bereich jedes Spulentragrahmens sind diese mit keilförmigen Flächen versehen, die gegeneinan­ der anliegen. An oberen und unteren Vorsprüngen der Spulen­ tragrahmen sind Halteringe vorgesehen, welche die Spulentrag­ rahmen in einer ringförmigen Anordnung miteinander verbinden und zusammenhalten. Wenn derartige Spulenanordnungen mit dem beschriebenen Aufbau von großen Strömen durchflossen werden, so bringen entsprechend große elektromagnetische Felder und Kräfte erhebliche Probleme mit sich. Auch wenn die herkömmli­ che Spulenanordnung für einige Einsatzzwecke durchaus geeig­ net ist, ist die Spulenanordnung in den Bereichen, in denen die größten Kräfte auftreten, nicht mit ausreichender Festig­ keit ausgestattet.

Aus der Veröffentlichung in der Zeitschrift Nuclear Fusion, Vol. 22, No. 1, 1982, S. 135 bis 174, insbesondere dortige Fig. 6 und 7 mit zugehöriger Beschreibung, ist eine Konstruk­ tion eines Spulentragrahmens bekannt, der sämtliche Spulen trägt und mit radialen Schlitzen ausgelegt ist, um bewegliche Segmente aufzunehmen, die zwischen den Spulen angeordnet und von dem Spulentragrahmen getragen sind. Allerdings lassen sich dieser Veröffentlichung keine Einzelheiten darüber entnehmen, wie die Haltemittel und die Befestigungseinrichtungen im ein­ zelnen auszubilden sind, um auch bei großen Strömen die er­ forderliche Festigkeit zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spulen­ anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine ver­ besserte Festigkeit und Stabilität besitzt, und die in der La­ ge ist, die auftretenden Kräfte auch dann zuverlässig aufzu­ nehmen, wenn mit großen Strömen bzw. Stromstärken gearbeitet wird.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Spulenanord­ nung zur Erzeugung eines toroidalen Magnetfeldes gemäß dem Oberbegriff so auszubilden, daß für jede Spule jeweils ein Paar von Spulentragrahmen vorgesehen ist, daß der eine Spu­ lentragrahmen des Paares Vorsprünge und der andere Spulen­ tragrahmen komplementär ausgebildete Aussparungen aufweist, die ineinandergreifend zusammengesetzt und mit Schrauben zu­ sammengebaut sind, wobei die Spulen in der Nut eines der Spulentragrahmen mit einem Keil befestigt sind, und daß die ein Verdrehen der Spulenanordnung verhindernden Träger mit den benachbarten Spulentragrahmen in der Nähe der ineinander­ greifenden Vorsprünge und Aussparungen der geteilten Spulen­ tragrahmen verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegen­ den Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer herkömmlichen Spu­ lenanordnung für einen kleinen Kernfusionsreaktor;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 bis 5 eine Draufsicht, eine Schnittansicht bzw. eine weitere Draufsicht zur schematischen Erläuterung einer her­ kömmlichen Spulenanordnung für einen großen Kernfu­ sionsreaktor;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine herkömmliche Bauform, um einer Verformung durch elektromagnetische Kräfte ent­ gegenzuwirken;

Fig. 7 eine Seitenansicht eines Spulentragrahmens für eine Spulenanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 8 eine auseinandergezogene Darstellung eines zerlegten Spulentragrahmens der erfindungsgemäßen Spulenanord­ nung; und in

Fig. 9 und 10 Diagramme zur Erläuterung der Belastungsverteilung im Spulentragrahmen gemäß der Erfindung.

In der nachstehenden Beschreibung wird auf die Fig. 7 bis 10 Bezug genommen.

Wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich, ist eine toroidale Spule 1 in Spulentragrahmen 30a und 30b eingesetzt, die in den Berei­ chen der Träger 8, die ein Verdrehen der Spulenanordnung ver­ hindern, in zwei Teile aufgeteilt sind. Ein Vorsprung 31 ist am Verbindungsteil des Spulentragrahmens 30a ausgebildet, und eine komplementär ausgebildete Aussparung 32 ist am Verbin­ dungsteil des Spulentragrahmens 30b vorgesehen, um mit dem Vorsprung 31 in Eingriff zu kommen. Sobald der Vorsprung 31 und die komplementär ausgebildete Aussparung 32 zusammenge­ setzt sind, werden die Spulentragrahmen 30a und 30b mit Schrauben 33 sicher aneinander befestigt.

Wie sich aus den Belastungswerten an den jeweiligen Teilen der Spulentragrahmen ergibt, die in den Fig. 9 und 10 darge­ stellt sind, sollten die Spulentragrahmen 30a und 30b in be­ sonders zweckmäßiger Weise in den Bereichen der Träger 8 ge­ teilt sein, welche ein Verdrehen der Spulenanordnung verhin­ dern und einer Verformung durch elektromagnetische Kräfte entgegenwirken. Um die Festigkeit zu verbessern, ist außerdem eine Nut 34 zum Einsetzen der toroidalen Spule 1 geradlinig in der Nähe des aufgeteilten Bereiches des Spulentragrahmens 30b eingeschnitten.

Sobald die jeweilige toroidale Spule 1 eingesetzt ist, werden Keile 35 hineingetrieben, um die toroidale Spule 1 und den Spulentragrahmen 30b fest miteinander zu verbinden. Damit kei­ ne Verformungen durch auftretende elektromagnetische Kräfte hervorgerufen werden, greifen außerdem, wie bereits erwähnt, der jeweilige Vorsprung 31 und die komplementär ausgebildete Aussparung 32 der beiden Spulentragrahmen 30a und 30b inein­ ander.

Nachstehend wird die Montage der Spulenanordnung näher erläu­ tert. Zunächst wird die toroidale Spule 1 in einen Zwischen­ schicht-Isolator sowie einen Erdungsisolator eingepackt. Dann werden Keile 35 zwischen die toroidale Spule 1 und die jewei­ ligen Nuten 34 in den Spulentragrahmen 30b hineingetrieben, um sie im oberen und im unteren Bereich fest miteinander zu verbinden. Danach werden dann die Vorsprünge 31 am Spulentrag­ rahmen 30a in die komplementär ausgebildeten Aussparungen 32 im Spulentragrahmen 30b eingesetzt, wobei der Spulentragrah­ men 30a das radial äußere Ende der toroidalen Spule 1 auf­ nimmt. Die beiden Spulentragrahmen 30a und 30b eines Paares werden dann eng miteinander verbunden und mit den Schrauben 33 sicher aneinander befestigt.

Die zusammengebaute Konstruktion der erfindungsgemäßen Spulen­ anordnung zur Erzeugung eines toroidalen Magnetfeldes ist am deutlichsten in Fig. 7 dargestellt, wo man entsprechende Ver­ bindungen im oberen und unteren Bereich eines Paares von Spu­ lentragrahmen 30a und 30b erkennt, wobei die ein Verdrehen der Spulenanordnung verhindernden Träger 8 mit den benachbar­ ten Spulentragrahmen 30a und 30b in der Nähe der ineinander­ greifenden Vorsprünge und Aussparungen der geteilten Spulen­ tragrahmen verbunden sind.

Auch wenn in den Figuren der Zeichnungen eine D-förmige toroidale Spule dargestellt ist, kann die Erfindung selbstverständlich auch bei einer kreisförmigen toroidalen Spule in einer Spu­ lenanordnung Anwendung finden, um die gleichen Wirkungen zu erzielen wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.

Durch die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Spulen­ anordnung ist es möglich, eine Konfiguration zu erhalten, bei der die toroidale Spule 1 und die Spulentragrahmen 30a und 30b geringeren Beanspruchungen und Verschiebungen durch Kräf­ te ausgesetzt sind, die bei derartigen Spulenanordnungen im Betrieb auftreten.

Die schematischen Darstellungen gemäß Fig. 9 und 10 lassen erkennen, welche Beanspruchungen an den verschiedenen Orten einer toroidalen Spule 1 einer derartigen Spulenanordnung auftreten. Dabei sind die verschiedenen Positionen oder Orte mit den Buchstaben A, B, C, D, E, F, G und H bezeichnet. Für diese Positionen sind die auftretenden Beanspruchungen in Fig. 9 anhand einer schematischen Kurve dargestellt.

Claims (1)

1. Spulenanordnung zur Erzeugung eines toroidalen Magnetfeldes, mit einer Vielzahl von geteilten Spulentragrahmen (30a, 30b), die in radialer Richtung aufrecht angeordnet sind und jeweils eine toroidale Spule (1) in einer Nut (34) aufnehmen, und mit ein Verdrehen der Spulenanordnung verhindernden Trägern (8), die quer zwischen den Spulen (1) angebracht sind und einer Verformung durch elektromagnetische Kräfte entgegenwirken, dadurch gekennzeichnet,
   daß für jede Spule (1) jeweils ein Paar von Spulentragrahmen (30a, 30b) vorgesehen ist,
   daß der eine Spulentragrahmen (30a) des Paares Vorsprünge (31) und der andere Spulentragrahmen (30b) komplementär aus­ gebildete Aussparungen (32) aufweist, die ineinandergreifend zusammengesetzt und mit Schrauben (33) zusamengebaut sind, wobei die Spulen (1) in der Nut (34) eines der Spulentrag­ rahmen (30a, 30b) mit einem Keil (35) befestigt sind,
   und daß die ein Verdrehen der Spulenanordnung verhindernden Träger (8) mit den benachbarten Spulentragrahmen (30a, 30b) in der Nähe der ineinandergreifenden Vorsprünge (31) und Aussparungen (32) der geteilten Spulentragrahmen (30a, 30b) verbunden sind.