[0001] Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet in Form eines Solenoids, dessen Spulenkörper
und die darauf aus einem elektrisch isolierten Draht aufgewickelte Spule aus temperaturbeständigem
Material sind.
[0002] Der Elektromagnet ist ein Solenoid und für das Arbeiten in Umgebungen mit höheren.
Temperaturen, beispielsweise mehr als 100°C, vorgesehen. Das Solenoid umgibt den Leitungsabschnitt
einer fluidführenden Leitung, in dem ein verschließ- und öffenbarer Mechanismus sitzt,
der über ein auf ihn wirkendes Magnetfeld die Leitung verschließt oder öffnet oder
umgekehrt. Das Solenoid zusammen mit diesem Leitungsabschnitt bilden ein Magnetventil.
[0003] Aus verfahrenstechnischen Anlagen sind zur schaltungstechnischen Erzeugung von Magnetfeldern
Magnetspulen oder Elektromagnete bekannt, deren Kupferdrahtwicklung aus übereinander
liegenden Wicklungslagen bestehen, wobei der Spulendraht zur elektrischen Isolation
anliegender Drahtwicklungen eine Lackschicht besitzt. In Betriebssituationen bis etwa
200°C können solche lackbeschichteten Spulendrähte noch verwendet werden, darüber
hinaus beginnt sich eine solche elektrisch isolierende Lackschicht thermisch zu zersetzen.
[0004] In einer speziellen verfahrenstechnischen Einrichtung ließe sich der Aufbau konstruktiv
vereinfachen, wenn Magnetventile bei Temperaturen über 200°C bis etwa 600°C problemlos
betrieben werden könnten. Elektromagnete, die in solchen Temperaturbereichen betrieben
werden können, sind nicht erhältlich. Deshalb stellte sich die Aufgabe, einen Elektromagneten
in solenoidaler Bauweise und mit zentralem Durchgang zu entwickeln und bereit zu stellen,
um anlagentechnische Bereiche nicht mit einem zusätzlichen thermotechnischen, wirtschaftlich
teuren Aufwand versehen zu müssen.
[0005] Die Aufgabe wird durch einen Elektromagneten, der die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Elektromagnet ist ein Solenoid und bei Temperaturen
bis zu 600° C in zwei Zustände, den magnetfelderzeugenden und den magnetfeldlosen,
versetzbar. Um eine solche betriebliche Temperaturumgebung auszuhalten, ist der Spulenkörper
aus einem nichtmagnetisclien Metall oder aus einer Keramik oder aus Quarzglas gefertigt.
Als Baukomponente im Zusammenwirken mit andern Komponenten hat der Elektromagnet einen
freien zentralen Durchgang. Die Temperaturumgebung bis 600°C hat auch der Spulendraht
unbeeinflusst auszuhalten und ist deshalb etwa aus Eloxaldraht, einem
elektrisch
oxidierten
Aluminiumdraht, dessen Oxidschicht zur Umgebung hin elektrisch isoliert, oder aus einem
mit Glasseide ummantelten Metalldraht. In beiden Fällen sind auf dem Spulendraht dünne
elektrische Isolationsschichten herstellbar, so dass der auf den Spulenkörper zur
Spule gewickelte Draht mit einer hohen Packungsdichte gewickelt werden kann. Dadurch
kann mit beschränktem Elektromagnet-/Solenoidvolumen entlang der und um die Magnetfeldachse
ein genügend starkes Magnetfeld zur sicheren Ventilbetätigung erreicht werden.
[0006] In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen beschrieben und spezifiziert. Nach Anspruch
2 besteht der Spulenkörper aus einem im Betriebstemperaturbereich formstabilen Edelstahl
oder Messing oder einer nichtmagnetischen Metalllegierung. Vorzugsweise aus mit Drehautomaten
oder Zieheinrichtungen bearbeitbarem Material.
Alternativ, wegen sicherer elektrischer Isolationsfestigkeit, kann das keramische
Spulenkörpermaterial aus einer auf Silizium basierenden Keramik insbesondere Aluminiumsilikat
oder Magnesiumsilikat oder aus einer Oxidkeramik insbesondere Aluminiumoxid sein.
Diese Materialien sind zur Keramisierung in ihrer Geometrie derart vorformbar, dass
das Endmaß zumindest mit tolerabler Toleranz erreicht wird, andrerseits sind sie auch
maschinenbearbeitbar, etwa spanabhebend oder schleifend. Ebenfalls alternativ ist
Quarzglas wegen seiner sehr guten Temperaturbeständigkeit. Problematisch jedoch in
der genauen Endmaßbearbeitung, weil dann nur noch über Diamantschleifen zugänglich,
aber für spezielle Problemlösungen im Aufwand gerechtfertigt.
[0007] Nach Anspruch 3 ist der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs durch
den Spulenkörper rund und der Querschnittsrand hat an jeder Stelle einen von innen
nach außen gerichteten Krümmungsradius. Die einfachsten Formen dazu sind der Kreis
und die Ellipse oder eine ovale Form. Etwas aufwändigere Formen sind polygonale Formen
mit abgerundeten Ecken also insgesamt einfach konvexe, glatte Formen. Alternativ kann
der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs polygonal, mindestens dreieckig
sein. Alle lichten, einfach konvexen Querschnittformen außer der kreisrunden sind
verdrehsicher. Der Spulengrund verläuft in beiden Fällen, dem runden und polygonal
lichten Querschnitt, rund um den freien zentralen Durchgang unter Wandbildung und
hat einen stets nach außen gerichteten Krümmungsradius derart, dass der kleinste Krümmungsradius
mindestens gleich dem kleinsten zulässigen Biegeradius des auf den Spulengrund zu
wickelnden Spulendrahtes ist. Beim Spulenwickeln muss strikt darauf geachtet werden,
dass der Spulendraht an keiner Stelle einen Knick erfährt, da dort einerseits die
Isolationsschicht bzw. der Isolationsmantel zumindest beeinträchtigt wird, wenn nicht
sogar gleich aufbricht. Andrerseits kann das Metallgefüge des Spulendrahtes verändert
und damit die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt sein, wenn nicht sogar ein Drahtbruch
zustande kommt.
[0008] Zur örtlichen Führung/Beschränkung des Magnetfeldes außerhalb des Elektromagneten
kann dieser nach außen hin mit einer Hülse aus magnetisierbarem Material, üblicherweise
Weicheisen, ummantelt sein, unter Umständen zusätzlich noch an den freien Stirnseiten
(Anspruch 4).
[0009] Ein so aufgebauter Elektromagnet, aufgebautes Solenoid, eine so aufgebaute Elektrospule
steht Temperaturumgebungen bis 600°C in Dauerbetrieb sicher durch. Die sehr dünne
Isolationsschicht insbesondere beim Wicklungsdraht aus Eloxal lässt eine hohe Wicklungsdichte
bei der Spule und damit ein minimales Spulenvolumen zu. Das erforderlich starke Magnetfeld
auch bei höchster Betriebstemperatur von 600°C wird sicher erreicht und gehalten.
[0010] Das einfachste Ausführungsbeispiel des Elektromagneten ist ein kreiszylinderförmiges
Solenoid mit magnetachsenzentralem Durchgang und kreisförmig lichter Weite. Diese
Situation ist in der einzigen Figur zur Beschreibung beispielhaft dargestellt. Das
Solenoid ist in einem axialen Schnitt, in der Stirnansicht und perspektivisch dargestellt,
der verwendete Spulenkörper, hier aus Aluminiumsilikat, ist im Schnittbild bemaßt.
Die Spule besteht beispielhaft aus 12 Lagen und 13 Windungen pro Lage. Der verwendete
Spulendraht ist aus Eloxal und liegt vorzugsweise im Drahtdurchmesserbereich von etwa
o,5 mm bis 1 mm.
[0011] Die Erprobung der elektrischen Spule erfolgte beim Einbau in ein elektromagnetisch
schaltbares 2/2-Wegeventil. Die kommerziell eingebaute Spule wurde durch die thermisch
sehr viel höher belastbare Spule ersetzt. Bei der Erprobung der mit einem Eloxaldraht
gewickelten Spule im Spulenkörper aus Aluminiumsilikat nahm der ohmsche Widerstand
des Spulendrahtes erwartungsgemäß zu, und zwar linear mit der Temperatur. Um den magnetfelderzeugenden
Strom durch den Spulendraht beizubehalten, wurde die treibende Spannung über eine
einstellbare Spannungsquelle entsprechend angehoben. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
von Aluminium bewirkt im Temperaturbereich bis 600°C eine Längenausdehnung von bis
zu 1,5%, das führte aber zu keinen Problemen. Pulsmäßig wurde die Spule problemlos
mit einer Schaltfrequenz bis zu 10 Hz mit einem Dachwert des Stromes von 3A jeweils
20 msec lang betrieben.
[0012] Der Eloxaldraht wurde unter Zugspannung sorgfältig, d.h. knick- und bruchstellenfrei,
auf den Spulenkörper gewickelt. Hierzu wurde die Zugspannung, bei der die Oxidschicht
beginnt zu reißen, experimentell ermittelt, um die Zugspannung bei der Wicklung der
Spule sicher drunter zu halten.
[0013] Alternativ zum Eloxaldraht wurde glasfaserummantelter Nickeldraht als Spulendraht
untersucht, und zwar nicht als Magnetventilspule sondern in einem Experiment als Sende-
und Empfangsspule jeweils auf einem Aluminiumsilikatspulenkörper. Auch dieser Spulenaufbau
wurde erfolgreich bis zu der höchsten geforderten Umgebungstemperatur getestet. Der
wesentliche höhere spezifische ohmsche Widerstand des Ni-Drahtes ist bekannt, im Vergleich
zu Kupfer um 65% höher. Diese Situation ist durch entsprechende Spannungseinstellung
kompensierbar, so dass der notwendige Magnetisierungsstrom durch die Spule zuverlässig
getrieben werden kann.
[0014] Andere elektrisch leitende Metallmaterialien, wie Kupfer, Silber oder sonstige Leiterlegierungen,
sind als Spulendraht nicht ausgeschlossen. Sie werden anhand einer speziell gestellten
Aufgabe als Spulendraht je nach dem in Betracht gezogen.
1. Elektromagnet, bestehend aus einem Solenoid, dessen Spulenkörper und die darauf aus
einem elektrisch isolierten Draht aufgewickelte Spule aus temperäturbeständigen Material
sind,
dadurch gekennzeichnet, dass:
der Elektromagnet ein Solenoid ist und bei Temperaturen bis zu 600° C in zwei Zustände,
den magnetfelderzeugenden und den magnetfeldlosen, versetzbar ist,
der Spulenkörper aus:
einem nichtmagnetischen Metall oder
aus Keramik oder
aus Quarzglas ist
und einen freien zentralen Durchgang hat,
der Spulendraht aus Eloxaldraht oder ein mit Glasseide ummantelter Metalldraht ist.
2. Elektromagnet nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper aus:
einem im Betriebstemperaturbereich formstabilen Edelstahl oder Messing oder einer
Metalllegierung ist,
oder einer auf Silizium basierenden Keramik insbesondere Aluminiumsilikat oder Magnesiumsilikat
ist,
oder einer Oxidkeramik insbesondere Aluminiumoxid ist.
3. Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs durch den Spulenkörper rund
ist und der Querschnittsrand an jeder Stelle einen von innen nach außen gerichteten
Krümmungsradius hat
oder der lichte Querschnitt des freien zentralen Durchgangs polygonal, mindestens
dreieckig ist
und der Spulengrund in beiden Fällen um den freien zentralen Durchgang unter Wandbildung
verläuft sowie rund ist und einen stets nach außen gerichtetem Krümmungsradius hat,
wobei der kleinste Krümmungsradius mindestens gleich dem kleinsten zulässigen Biegeradius
des auf den Spulengrund zu wickelnden Spulendrahtes ist.
4. Elektromagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper zur räumlich beschränkten Führung des magnetischen Flusses zusätzlich
mit einer Hülse aus magnetisierbarem Material gekapselt sein kann.