DE10063613C1

DE10063613C1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochstromimpulses

Info

Publication number: DE10063613C1
Application number: DE2000163613
Authority: DE
Inventors: Gerd Zimmermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2020-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochstromimpulses, bei dem durch Detonation eines Explosivstoffkörpers die Induktivität einer stromdurchflossenen Spule schlagartig verändert wird. Die Veränderung erfolgt im vorliegenden Fall durch eine sprengstoffbeschleunigte Platte, die von außen auf die Spule auftrifft. DOLLAR A Die Vorrichtung ermöglicht die Erzeugung von Hochstromimpulsen mit einer kompakten Anordnung und einer großen Variationsmöglichkeit des Strom-Spannungsverlaufes.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochstromimpulses, bei denen ein Körper durch Detonation eines Explosivstoffkörpers gegen Windungen einer stromdurchflossenen Spule geschleudert wird, wobei sich durch das Auftreffen des Körpers auf die Windungen die Induktivität der Spule schlagartig ändert.

Derartige Vorrichtungen sind auch unter dem Begriff explosiver magnetischer Generator (EMG) bekannt und können auf zwei unterschiedlichen Prinzipien zur Erzeugung der Hochstromimpulse beruhen.

Bei einer ersten Variante handelt es sich um Vorrichtungen zur Umwandlung der im Explosivstoffkörper enthaltenen chemischen Energie in elektrische Energie. Das Verfahren zur Erzeugung der Hochstromimpulse nutzt die Gesetzmäßigkeit, dass der in einer stromdurch flossenen geometrischen Struktur vorliegende magnetische Fluss bei einer schnellen Veränderung der geometrischen Struktur annähernd konstant bleibt. Mit dem Explosivstoffkörper wird die Geometrie der Struktur derart geändert, dass die enthaltene magnetische Energie schlagartig ansteigt. Aufgrund dieses schlag artigen Anstiegs der Energie bei annähernd konstantem magnetischen Fluss wird ein kurzer Stromimpuls sehr hoher Stromstärke in der Struktur erzeugt.

Bei der zweiten Variante, wie sie mit der vor liegenden Erfindung im Wesentlichen realisiert wird, werden mit dem Explosivstoffkörper Spulenwindungen der Struktur nacheinander kurzgeschlossen, so dass deren Induktivität schlagartig vermindert wird. Durch diese schnelle Verminderung der Induktivität wird ein starker Anstieg der Stromstärke in Form eines kurzen Strom impulses hervorgerufen.

Diese Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Erzeugung von Hochstromimpulsen eignen sich für Anwendungen, bei denen kompakte Stromquellen sehr hoher Stromstärken benötigt werden. Ein besonderes Anwendungsgebiet stellt hierbei der Bereich der Erzeugung extrem starker Mikrowellenimpulse dar, die für die Störung von Funk frequenzen eingesetzt werden können.

Stand der Technik

Zur Erzeugung von Hochstromimpulsen mit den oben beschriebenen Techniken sind unterschiedliche Anordnungen bekannt, wie sie beispielsweise dem Artikel von Seth, M., "Inductance of an Explosive Generator", Januar 1998, Seiten 1 bis 13 (ISSN 1104-9154) oder dem Artikel von C. M. Fowler et al., "An Introduction to Explosive Magnetic Flux Compression Generators", Seiten 1 bis 11 entnommen werden können.

Eine typische Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochstromimpulses gemäß der ersten Variante ist in der Fig. 1 dargestellt. Die Figur zeigt eine Leitungs schleife 7, die über eine Kapazitätsanordnung 8 mit einem Strom beaufschlagt werden kann. Die Leitungs scheife 7 ist zwischen einer mit einem Explosivstoff körper 2 versehenen Platte 3a und einer Gegenplatte 9 angeordnet. Beim Betrieb dieses so genannten Platten generators werden die Leitungsschleife 7 über die Kapazitätsanordnung 8 mit einem Strom beaufschlagt und der Explosivstoffkörper 2 gezündet. Hierdurch schließt sich die Leitungsschleife 7 mit Fortschreiten der Detonationswelle über den Kurzschluss 10, wie im unteren Teil der Fig. 1 dargestellt. Durch die resultierende Erhöhung der magnetischen Energie der Leitungsschleife bei annähernd konstantem magnetischem Fluss wird ein hoher Stromimpuls erzeugt, der durch die Last 5 fließt.

Zur Erzeugung einer hohen anfänglichen Induktivität für einen hohen Kompressionsfaktor erfordert diese Vorrichtung jedoch sehr viel Raum.

Eine kompaktere bekannte Anordnung zur Erzeugung von Hochstromimpulsen gemäß der zweiten Variante ist in der Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung wird eine Spule 1 eingesetzt, in deren Zentrum ein rohrförmiger Körper 3a vorgesehen ist. Der Stromfluss führt über die Zuleitungen 6 zu den Windungen der Spule 1 und über die Last 5 und den rohrförmigen Körper 3a zurück zum Stromgenerator. In den rohrförmigen Körper ist ein Explosivstoffkörper 2 eingebracht, der bei Erreichen eines bestimmten Stroms durch die Spule 1 gezündet wird. Durch diese Zündung wird der innen liegende Körper 3a gegen die Windungen der Spule 1 geschleudert und erzeugt auf diese Weise einen sukzessiven Kurzschluss der Spulenwindungen, der sich mit der Detonationswelle ausbreitet, wie im unteren Teil der Fig. 2 zu erkennen ist. Durch diesen Kurz schluss verringert sich wiederum die Induktivität der Spule, so dass ein Hochstromimpuls über die Last 5 fließt.

Die US 3113272 A beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer oder chemischer Energie in elektrische Energie, insbesondere als elektrischer Stromverstärker zur Erzeugung von Hochstromimpulsen. Die Vorrichtung umfasst einen eine Schleife bildenden elektrischen Leiter, der von einem Strom durchflossen wird. Mittels eines an dem Leiter angeordneten Explosivstoffkörpers wird nach Zündung die Leiterschleife von einer Seite beginnend zusammen gedrückt, so dass durch den daraus resultierenden Kurzschluss ein Hochstromimpuls entsteht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochstromimpulses bereitzustellen, die in kompakter Weise realisierbar ist und eine große Variation im zeitlichen Verlauf des Hochstromimpulses ermöglicht.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochstromimpulses weist eine elektrisch leitende Spule zum Anschluss an einen Stromgenerator auf, die sich entlang einer Spulenachse erstreckt. Außerhalb und beabstandet von dieser Spule ist ein plattenförmiger Körper angeordnet, dessen eine Hauptfläche zumindest annähernd senkrecht zur Spulenachse ausgerichtet ist. An der der Hauptfläche gegenüberliegenden Seite des plattenförmigen Körpers ist ein Explosivstoffkörper angebracht, der derart dimensioniert ist, dass der plattenförmige Körper bei einer Detonation des Explosivstoffkörpers mit hoher Geschwindigkeit gegen die Spule geschleudert wird und beim Auftreffen auf die Spule einen Kurzschluss mehrerer Windungen hervorruft, wobei der Kurzschluss durch axiales Zusammendrücken der Spule erfolgt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Explosiv stoffkörper an der der Hauptfläche gegenüberliegenden Seite des Körpers derart dimensioniert, dass der Körper bei einer Detonation des Explosivstoffkörpers mit hoher Geschwindigkeit in die Spule hinein verformt wird und beim Auftreffen auf die Spule einen Kurzschluss meh rerer Windungen hervorruft, wobei der Körper die Win dungen elektrisch leitend überbrückt.

Vorzugsweise ist der Explosivstoffkörper mit einem Detonationswellenumformer versehen, mit dem gezielt die Verformung des plattenförmigen Körpers bei der Detonation gesteuert werden kann. Der plattenförmige Körper selbst wird beispielsweise durch eine ebene metallische Platte gebildet.

Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird zunächst über einen Primärstromgenerator ein Stromfluss durch die Spule erzeugt. Bei Vorliegen eines bestimmten, vorzugsweise maximalen, Wertes des Stromes wird der Explosivstoffkörper gezündet, so dass der platten förmige Körper mit seiner Hauptfläche gegen die Windungen der Spule geschleudert wird. Die Windungen werden hierdurch zusammengedrückt und sukzessive kurzgeschlossen, so dass sich die Induktivität der Spule schlagartig ändert. Durch diese schlagartige Änderung der Induktivität wird aufgrund des annähernd konstanten magnetischen Flusses ein kurzer hoch energetischer Stromimpuls erzeugt. Der Kurzschluss der Spulenwindungen kann hierbei entweder durch direkte gegenseitige Berührung der einzelnen Windungen beim Zusammendrücken wie auch durch den plattenförmigen Körper selbst erfolgen, der vorzugsweise metallisch und damit elektrisch leitend ausgeführt ist und somit bei geeigneter Verformung die Abstände zwischen einzelnen Spulenwindungen elektrisch leitend überbrückt.

Aufgrund des Einsatzes einer Spule kann eine hohe Anfangsinduktivität auf kleinem Raum bereitgestellt werden, so dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hohe Kompressionsfaktoren erzielbar sind. Durch die Möglichkeit der gezielten Formung des plattenförmigen Körpers über Detonationswellenumformer bei der Detonation des Explosivstoffkörpers und die weitere Möglichkeit der gezielten Gestaltung der Geometrie der Spule kann eine große Variation des zeitlichen Verlaufes des Hochstromimpulses erreicht und dieser zeitliche Verlauf insbesondere gezielt eingestellt werden.

Dem Fachmann sind geeignete Dimensionierungen des Explosivstoffkörpers und des Detonationswellenumformers aus anderen Bereichen der Explosivstofftechnik bekannt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Technik einer sprengstoffbeschleunigten Platte (Flyer Plate) eingesetzt, um die angestrebte Wirkung in Kombination mit einer ent sprechend angepassten Spulengeometrie zu erzeugen. Durch geeignete Abstimmung der Spulengeometrie auf den Detonationswellenumformer - oder umgekehrt - lässt sich der mit der Vorrichtung erzeugte Strom-Spannungsverlauf optimal an die entsprechende Last anpassen.

Vorzugsweise ist die Spule derart ausgebildet, dass der Durchmesser ihrer Windungen entlang der Spulenachse ausgehend von der dem plattenförmigen Körper zugewandten Seite abnimmt. Die Spule weist somit eine Art Trichterform auf. Der plattenförmige Körper kann in diesem Fall gezielt derart durch die Detonation verformt werden, dass er bei Auftreffen auf die Spule die Trichterform annähernd ausfüllt. Auf diese Weise wird ein extrem schneller Kurzschluss beinahe aller Spulenwindungen über den plattenförmigen Körper erzeugt. Es versteht sich von selbst, dass dieser hierfür elektrisch leitend ausgeführt sein muss.

Die Spulenwindungen selbst sind in der Regel nicht mit einer Isolationsschicht versehen. Dies ist jedoch für die Wirkung der Vorrichtung nicht unbedingt erforderlich, da aufgrund der beim Auftreffen des plattenförmigen Körpers wirkenden Kräfte die Isolationsschicht zerstört werden würde und somit ebenfalls ein Kurzschluss herbeigeführt werden könnte. Die Spule kann sowohl als selbsttragende Konstruktion als auch auf einem entsprechenden Trägermaterial auf gebracht sein. Es versteht sich von selbst, dass für die Spule sowie für den plattenförmigen Körper bzw. den Explosivstoffkörper entsprechende Halterungen in der Vorrichtung vorgesehen sind. Geeignete Explosivstoff körper zur Beschleunigung des plattenförmigen Körpers sind dem Fachmann auf dem hier vorliegenden Gebiet der Magnetfeldkompression bekannt.

Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Hochstromimpulsen;

Fig. 2 ein weiteres Beispiel für eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Hochstrom impulsen;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die erfindungs gemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Hoch stromimpulsen; und

Fig. 4 ein Beispiel für den Stromverlauf bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die aus dem Stand der Technik bekannten Vor richtungen zur Erzeugung von Hochstromimpulsen mittels eines Plattengenerators oder mit der Technik einer Spulenanordnung mit zentraler Sprengstoffsäule, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, wurden bereits in der Beschreibungseinleitung eingehend erläutert.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von kurz zeitigen Hochstromimpulsen. Im linken Teil der Figur ist hierbei die Vorrichtung schematisch vor der Sprengung bzw. Detonation des Explosivstoffkörpers 2 dargestellt. Die Spule 1, die sich entlang der Spulen achse 4 erstreckt, ist hierbei derart ausgestaltet, dass der Durchmesser ihrer Windungen mit zunehmender Entfernung von der beabstandet angeordneten Platte 3 abnimmt. Die daraus resultierende Trichterform der Spule 1 ist in der Abbildung deutlich zu erkennen. Die sprengstoffbeschleunigte Platte 3 ist auf einem Explo sivstoffkörper 2 angeordnet, der einen Detonations wellenumformer enthält. Dieser Detonationswellenumformer bewirkt im vorliegenden Beispiel, dass die Platte 3 bei der Detonation im zentralen, auf der Spulenachse 4 liegenden Bereich stärker beschleunigt wird als in den Außenbereichen. Auf diese Weise ergibt sich eine Verformung der Platte 3 entsprechend der Trichterform der Spule 1, wie dies im rechten Teil der Figur nach der Detonation ersichtlich ist.

Die elektrisch leitende Spule wird mit einem in der Figur nicht gezeigten elektrischen Primärstrom generator verbunden, der einen Strom durch die Spule 1 erzeugt, so dass sich dort ein Magnetfeld aufbaut. Nach der Initiierung des Explosivstoffkörpers 2 wird die auf diesem Sprengkörper angebrachte Platte 3 in Richtung der Spule 1 beschleunigt, trifft dort auf und verformt sie. Durch das kurzzeitige Zusammendrücken der Spule 1 in Achsenrichtung erfolgt ein sukzessiver Kurzschluss ihrer einzelnen Windungen, der zu einer Reduzierung der Induktivität führt. Durch die schlagartige Reduzierung der Induktivität wird ein Stromstoß im Stromkreis der Spule erzeugt, so dass die in der Spule gespeicherte magnetische Energie schnell abgebaut wird. Hierdurch kommt es im allgemeinen Fall (allgemeine Last) zu einem Spannungsstoß an der Last bzw. zu einem hohen Strom stoss durch die Last. Die Last ist hierbei - in der Abbildung nicht dargestellt - im Stromkreis der Spule geschaltet.

Im vorliegenden Beispiel kann der Kurzschluss auch primär nicht durch das Zusammendrücken der Spule 1, sondern durch den Kontakt der Spulenwindungen mit der entsprechend verformten elektrisch leitfähigen Platte 3 hervorgerufen werden, wie dies im rechten Teil der Figur angedeutet ist.

Als Platte wurde im vorliegenden Beispiel eine ebene Kupferplatte eingesetzt. Die gesamte Anordnung hat eine Ausdehnung in Richtung der Spulenachse von etwa 10 bis 30 cm. Mit einer derartig dimensionierten Vorrichtung lassen sich kurzzeitige Strompulse im Bereich von 100 kA bis 1 MA erzeugen. Der Strom- Spannungsverlauf, der durch eine Detonation hervor gerufen wird, kann durch entsprechend gesteuerte Formung bzw. Verformung von Spule 1 und Platte 2 in weiten Bereichen variiert werden. Dies ermöglicht die optimale Anpassung dieses Strom-Spannungsverlaufes an die jeweilige Last.

Ein Beispiel für einen berechneten Verlauf der Stromstärke nach Zündung des Explosivstoffkörpers bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Man erkennt, dass der Strom gegen Ende der Kurzschlussphase von einem Wert von 1000 A (theoretisch) gegen Unendlich ansteigt.

Die Berechnungen wurden für den Strom

unter Zugrundegung der folgenden Daten durchgeführt:
Anfangsstromstärke i0: 1000 A
Anfangsinduktivität L0: 20 mH
Widerstand R: 10 mΩ
Zeitkonstante α: 0,05.10^-6 s^-1
(entspricht einer Verminderung der Induktivität auf 0 innerhalb von 20 µs).

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Spule

2

Explosivstoffkörper

3

plattenförmiger Körper

3

a rohrförmiger Körper

4

Spulenachse

5

Last

6

Zuleitungen

7

elektrisch leitfähige Schleife

8

Kapazitätsanordnung

9

Gegenplatte

10

Kurzschluss

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochstromimpulses, mit einer elektrisch leitenden Spule (1) mit Windungen zum Anschluss an einen Stromgenerator, die sich entlang einer Spulenachse (4) erstreckt, mit einem plattenförmigen Körper (3), der beab standet von der Spule (1) angeordnet und dessen eine Hauptfläche zumindest annähernd senkrecht zur Spulenachse (4) ausgerichtet ist, und mit einem Explosivstoffkörper (2) an der der Hauptfläche gegenüberliegenden Seite des Körpers (3), der derart dimensioniert ist, dass der Körper (3) bei einer Detonation des Explosivstoffkörpers (2) mit hoher Geschwindigkeit gegen die Spule (1) geschleudert wird und beim Auftreffen auf die Spule (1) einen Kurzschluss mehrerer Windungen hervorruft, wobei der Kurzschluss durch axiales Zusammendrücken der Spule (1) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Körper (3) eine ebene Metallplatte ist.

3. Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochstromimpulses, mit einer elektrisch leitenden Spule (1) mit Windungen zum Anschluss an einen Stromgenerator, die sich entlang einer Spulenachse (4) erstreckt, mit einem plattenförmigen Körper (3), der beab standet von der Spule (1) angeordnet und dessen eine Hauptfläche zumindest annähernd senkrecht zur Spulenachse (4) ausgerichtet ist, und mit einem Explosivstoffkörper (2) an der der Hauptfläche gegenüberliegenden Seite des Körpers (3), der derart dimensioniert ist, dass der Körper (3) bei einer Detonation des Explosivstoffkörpers (2) mit hoher Geschwindigkeit in die Spule (1) hinein verformt wird und beim Auftreffen auf die Spule (1) einen Kurzschluss mehrerer Windungen hervorruft, wobei der Körper (3) die Windungen elektrisch leitend überbrückt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Körper (3) eine ebene Metallplatte ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Spule (1) derart ausgebildet ist, dass der Durchmesser ihrer Windungen entlang der Spulenachse (4) ausgehend von der dem Körper (3) zugewandten Seite abnimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Explosivstoffkörper (2) mit einem Detonationswellenumformer zur gezielten Verformung des Körpers (3) versehen ist, so dass ein vorge gebener zeitlicher Verlauf des Hochstromimpulses resultiert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Spule (1) gezielt gewählt wird, um einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf des Hochstromimpulses zu erreichen.

8. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erzeugung hochenergetischer Mikrowellenimpulse.