DE10145692A1

DE10145692A1 - Electromagnet component for acquiring energy for satellites, has insulated conductor around hollow cylinder wall so voltage is induced in windings when component moves in magnetic field

Info

Publication number: DE10145692A1
Application number: DE10145692A
Authority: DE
Inventors: G Liebscher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2003-04-17

Abstract

The device has a ferromagnetic hollow cylinder (1) with several windings of an insulated electrical conductor (2) around the hollow cylinder wall so that a voltage is induced in the windings when the component moves in a magnetic field with flux direction inclined with respect to the cylinder axis. Alternatively, the component can be moved in a magnetic field if a current is fed into the conductor ends.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Bauelement mit ferromagnetischem Hohlzylinder. Bauelemente dieser Art sind z. B. in Form magnetisch abgeschirmter Zuleitungen zu hochempfindlichen Meßinstrumenten bekannt. Bei diesen Bauelementen ist die magnetische Abschirmung von elektrischen Drähten Stand der Technik. The invention relates to an electromagnetic component ferromagnetic hollow cylinder. Components of this type are e.g. B. in the form of magnetic shielded leads to highly sensitive measuring instruments known. With these Components are the magnetic shielding of electrical wires prior art.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein solches elektromagnetisches Bauelement im Rahmen von Einrichtungen zu verwenden, mit denen bei Erdsatelliten oder Raumstationen dadurch Energie gewonnen wird, daß ein mit dem Satelliten verbundener Leiter die Magnetflußlinien des Erdmagnetfeldes schneidet und dadurch in dem Leiter eine Spannung induziert wird, die zur Stromversorgung des Satelliten dienen kann. Solche Einrichtungen werden in der Fachsprache als "tether" bezeichnet. The invention was based on the object, such an electromagnetic Component to be used in the context of facilities with which in the case of earth satellites or Energy is gained from space stations by connecting one to the satellite Conductor intersects the magnetic flux lines of the earth's magnetic field and thereby one in the conductor Voltage is induced, which can serve to power the satellite. Such Institutions are referred to in technical terms as "tether".

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein elektromagnetisches Bauelement mit einem ferromagnetischen Hohlzylinder gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß um die Hohlzylinderwand mehrere Windungen eines isolierten elektrischen Leiters geführt sind, so daß bei Bewegung des Bauelementes in einem Magnetfeld mit im Winkel zur Hohlzylinderachse verlaufender Magnetflußrichtung in den Windungen des Leiters eine Spannung induziert wird, die an den auf nur einer Seite des Hohlzylinders angeordneten Leiterenden abgegriffen werden kann. According to the invention, this object is achieved by an electromagnetic component solved a ferromagnetic hollow cylinder, which is characterized in that around Hollow cylinder wall several turns of an insulated electrical conductor are guided, so that when moving the component in a magnetic field with at an angle to Hollow cylinder axis extending magnetic flux direction in the turns of the conductor one Voltage is induced, which is arranged on only one side of the hollow cylinder Conductor ends can be tapped.

Durch die magnetische Abschirmung der im Inneren des Hohlzylinders verlaufenden Windungsteile werden in diesen im Inneren des Hohlzylinders verlaufenden Windungsteilen keine oder nur geringfügige elektrische Spannungen induziert, während demgegenüber in den längs der Außenwand des Hohlzylinders verlaufenden Windunsgteilen relativ große Spannungen induziert werden, die wesentlich größer als die in den Windungsteilen im Inneren des Hohlzylinders induzierten Gegenspannungen sind, so daß an den Leiterenden eine von Null verschiedene, relativ große Spannung abgegriffen werden und zur Energieversorgung eines Satelliten dienen kann. The magnetic shielding of those running inside the hollow cylinder Turn parts are in these turn parts running inside the hollow cylinder no or only slight electrical voltages induced, whereas in the relatively large windings along the outer wall of the hollow cylinder Voltages are induced which are substantially greater than those in the winding parts in the Counter voltages are induced inside the hollow cylinder, so that a non-zero, relatively large voltage can be tapped and Power supply of a satellite can serve.

Eine bevorzugte Ausbildungsform des vorliegenden elektromagnetischen Bauelementes zeichnet sich dadurch aus, daß die Windungen des isolierten elektrischen Leiters Außen- und Innenwand des ferromagnetischen Hohlzylinders zum überwiegenden Teil, vorzugsweise nahezu vollständig, bedecken, so daß eine der resultierenden Vielzahl von Windungen entsprechende hohe elektrische Spannung in dem Leiter induziert wird. A preferred embodiment of the present electromagnetic Component is characterized in that the turns of the isolated electrical The outer and inner wall of the ferromagnetic hollow cylinder predominantly Cover part, preferably almost completely, so that one of the resulting plurality of High electrical voltage corresponding to windings is induced in the conductor.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Bauteiles gegenüber den erwähnten flexiblen tethern besteht darin, daß anstelle der kilometerlangen bekannten tether erfindungsgemäße Bauelemente in nicht flexibler Bauweise von wesentlich geringerer Länge (einigen Metern) eingesetzt werden können, die gleiche oder sogar noch höhere Leistungen als die bekannten tether liefern. Das gilt insbesondere für die oben genannte besonders bevorzugte Ausbildungsform, die eine große Vielzahl von Windungen aufweist und entsprechend hohe Spannungen beziehungsweise Leistungen erbringt. The advantage of the component according to the invention over the flexible mentioned tethering is that instead of the miles long known tether according to the invention Components in a non-flexible construction with a much shorter length (a few meters) can be used, the same or even higher performance than the known deliver tether. This applies in particular to the particularly preferred one mentioned above Form of training that has a large number of turns and correspondingly high Tensions or achievements.

Die Erfindung betrifft weiter ein elektromagnetisches Bauelement der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß durch den ferromagnetischen Hohlzylinder ein isolierter elektrischer Leiter geführt ist, der an einem Ende des ferromagnetischen Hohlzylinders mit einem den ferromagnetischen Hohlzylinder umgebenden zweiten elektrisch leitenden, nicht ferromagnetischen Hohlzylinder verbunden ist, so daß bei Bewegung des Bauelementes in einem Magnetfeld mit im Winkel zur Achse des ferromagnetischen Hohlzylinders verlaufender Magnetflußrichtung zwischen dem Leiterende auf der anderen einen Seite des ferromagnetischen Hohlzylinders und dem auf der gleichen Seite des ferromagnetischen Hohlzylinders befindlichen Ende des elektrisch leitenden Ende des zweiten, elektrisch leitenden, nicht ferromagnetischen Hohlzylinders eine induzierte elektrische Spannung abgegriffen werden kann. The invention further relates to an electromagnetic component of the introduction mentioned type, which is characterized in that by the ferromagnetic Hollow cylinder an insulated electrical conductor is guided, which at one end of the ferromagnetic hollow cylinder with a ferromagnetic hollow cylinder surrounding second electrically conductive, non-ferromagnetic hollow cylinder connected is so that when the component moves in a magnetic field with at an angle to the axis of the ferromagnetic hollow cylinder running magnetic flux direction between the Conductor end on the other one side of the ferromagnetic hollow cylinder and that on the same side of the ferromagnetic hollow cylinder located end of the electrical conductive end of the second, electrically conductive, non-ferromagnetic hollow cylinder induced electrical voltage can be tapped.

Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Bauelementes besteht darin, daß es zwar keine großen Spannungen, dafür aber relativ hohe Ströme liefert, so daß sich auch in diesem Fall gleiche oder noch höhere Leistungen als bei den bekannten tethern oder anderen Anwendungen ergeben können. The advantage of this component according to the invention is that it does not large voltages, but it delivers relatively high currents, so that even in this case same or even higher performances than with the known tether or others Applications can result.

Weitere Vorteile von erfindungsgemäßen Bauelementen gegenüber bekannten tethern bestehen darin, daß erfindungsgemäße Bauelemente, als starre stabile Vorrichtungen mit relativ zu den bekannten tethern sehr geringer Länge ausgebildet werden können. Dadurch entfällt der bei bekannten tethern erforderliche sogenannte deployer (Gerät zur Ausbringung eines kilometerlangen tethers). Further advantages of components according to the invention over known tethers consist in that components according to the invention, as rigid stable devices can be formed very short in length relative to the known tethers. Thereby the so-called deployer required for known tethers is not required a kilometer-long tether).

Ein wesentlicher Nachteil bei der Stromgewinnung bei bekannten tethern ist ferner, daß der Strom über das in Höhen bis etwa 1000 km noch vorhandene Plasma geleitet wird und dadurch beträchtliche Unwägbarkeiten entstehen. A major disadvantage in the generation of electricity in known tethers is also that the current is conducted over the plasma still present at altitudes of up to about 1000 km and this creates considerable uncertainties.

Der Vorgang bei Bewegung des elektromagnetischen Bauelementes in einem Magnetfeld Strom zu gewinnen ist umkehrbar. Wird ein Strom in das elektromagnetische Bauelement eingespeist, so wird in einem Magnetfeld eine Bewegung des elektromagnetischen Bauelementes bewirkt. The process when moving the electromagnetic component in one The magnetic field of electricity is reversible. Will a current in the electromagnetic Component fed, so a movement of the magnetic field electromagnetic component causes.

Daher besteht ein weiterer Vorteil von erfindungsgemäßen Bauelementen gegenüber bekannten flexiblen tethern darin, daß es mit erfindungsgemäßen Bauelementen möglich ist, besser als mit den flexiblen tethern, die Flugbahn von Satelliten zu korrigieren, in dem am Satelliten z. B. drei Bauelemente der erfindungsgemäßen Art senkrecht aufeinander stehend fest montiert werden, und in geeigneter Weise Strom in die drei Bauelemente eingespeist wird. Eine Verschiebung eines Satelliten in eine höhere oder niedrigere Umlaufbahn ist nach Drehung des Satelliten auch mit nur einem Bauelement der erfindungsgemäßen Art möglich. There is therefore a further advantage of components according to the invention over known flexible tether in that it is possible with components according to the invention, better than with the flexible tethern to correct the trajectory of satellites in the am Satellites e.g. B. three components of the type according to the invention standing perpendicular to each other be permanently installed, and power is fed into the three components in a suitable manner becomes. A move of a satellite into a higher or lower orbit is after Rotation of the satellite also possible with only one component of the type according to the invention.

Rechnerisch ergeben sich beispielsweise für einen nur 10 m langes elektromagnetisches Bauelement mit 1000 Windungen bei 7,6 km/s Satellitengeschwindigkeit eine Energie bis ca. 1000 Watt, oder bei Stromeinspeisung von 1 Amp eine Kraft von ca. 0,5 Newton. Um solche Werte zu erreichen sind herkömmliche flexible tether von mindestens ca. 5 km Länge erforderlich. Als Material für den ferromagnetischen Hohlzylinder kommen nicht nur Weicheisen oder andere hochpermeable Werkstoffe in Betracht sondern auch andere ferromagtische ferritähnliche Sinterstoffe. Konstruktiv kann ein Bauelement der erfindungsgemäßen Art beispielsweise aus zwei langen, halbkreisförmigen ferromagnetischen Schalen aufgebaut sein, auf die jeweils viele Windungen aufgebracht werden. Beide halbkreisförmigen Schalen werden anschließend zu dem ferromagnetischen Hohlzylinder zusammengefügt. Mathematically, this results in a length of only 10 m electromagnetic component with 1000 turns at 7.6 km / s satellite speed an energy of up to approx. 1000 watts, or a power of approx. 0.5 when feeding 1 amp Newton. Conventional flexible tethers of at least approx. 5 km length required. Coming as material for the ferromagnetic hollow cylinder not only consider soft iron or other highly permeable materials but also others ferromagnetic ferrite-like sintered materials. A component of the type according to the invention, for example, from two long, semicircular ferromagnetic Shells are constructed, to which many turns are applied. Both semicircular shells then become the ferromagnetic hollow cylinder together.

Andere Anwendungen des erfindungsgemäßen Bauelementes sind leicht denkbar, z. B.: als kleines Bauteil als Magnetfeldsensor in Bereichen, in denen Hallsensoren aus Gründen der Störsicherheit nicht verwendet werden können (im Eisenbahnsicherungswesen u. a. m.). Other applications of the component according to the invention are easily conceivable z. E.g .: as a small component as a magnetic field sensor in areas where Hall sensors are made Cannot be used for reasons of interference immunity (in railway safety u. a. m.).

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. It demonstrate:

Fig. 1 das Prinzip einer magnetischen Abschirmung. Fig. 1 shows the principle of a magnetic shield.

Fig. 2 ein als Spannungsgenerator ausgebildetes Bauelement Fig. 2 is a component designed as a voltage generator

Fig. 3 ein als Stromgenerator ausgebildetes Bauelement Fig. 3 is a component designed as a current generator

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip einer magnetischen Abschirmung fließen die Magnetflußlinien 3 wie dargestellt in den ferromagnetischen Hohlzylinder 1, fließen dann innerhalb der Wand des ferromagnetsichen Hohlzylinders 1 bis zu ihrer Austrittsstelle aus dem ferromagnetischen Hohlzylinder und fließen anschließend im wesentlichen in der gleichen Magnetflußrichtung wie vor ihrem Eintritt in den ferromagnetischen Hohlzylinder weiter. In unmittelbarer Nähe des ferromagnetischen Hohlzylinders verändern die Magnetflußlinien ihre Flußrichtung wie in Fig. 1 dargestellt, so daß sie lotrecht in die Wand des ferromagnetischen Hohlzylinders eintreten, und das gleiche gilt auch für den Austritt aus dem ferromagnetischen Hohlzylinder. Da die Magnetflußlinien von ihrer Eintrittsstelle in den ferromagnetischen Hohlzylinder 1 bis zu ihrer Austrittsstelle aus dem ferromagnetischen Hohlzylinder in der Wand des ferromagnetsichen Hohlzylinders fließen, ist der Innenraum 4 bei geeigneter Wanddicke und Magnetfeldstärke magnetfeldfrei. Der ferromagnetische Hohlzylinder stellt also für den Innenraum 4 eine magnetische Abschirmung dar. In the principle of magnetic shielding shown in Fig. 1, the magnetic flux lines 3 flow as shown in the ferromagnetic hollow cylinder 1 , then flow within the wall of the ferromagnetic hollow cylinder 1 to its point of exit from the ferromagnetic hollow cylinder and then flow essentially in the same direction of magnetic flux as before entering the ferromagnetic hollow cylinder. In the immediate vicinity of the ferromagnetic hollow cylinder, the lines of magnetic flux change their direction of flow as shown in FIG. 1 so that they enter the wall of the ferromagnetic hollow cylinder perpendicularly, and the same applies to the exit from the ferromagnetic hollow cylinder. Since the magnetic flux lines flow from their point of entry into the ferromagnetic hollow cylinder 1 to their point of exit from the ferromagnetic hollow cylinder in the wall of the ferromagnetic hollow cylinder, the interior 4 is free of a magnetic field with a suitable wall thickness and magnetic field strength. The ferromagnetic hollow cylinder thus represents a magnetic shield for the interior 4 .

Bei dem in Fig. 2 gezeigten, als Spannungsgenerator ausgebildeten Bauelement nach der Erfindung sind, wie in Fig. 2 vereinfacht dargestellt, um Innen- und Außenwand des ferromagnetischen Hohlzylinders eine Vielzahl von Windungen eines isolierten elektrischen Leiters 2 gelegt, die bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel vorteilhaft die gesamte Innenwand und im wesentlichen auch die gesamte Außenwand des ferromagnetischen Hohlzylinders bedecken können. Wird das Bauelement durch ein beispielsweise rechtwinklig zur Achse des ferromagnetischen Hohlzylinders 1 verlaufendes Magnetfeld geführt, dann wird in jedem längs der Außenwand des ferromagnetischen Hohlzylinders 1 verlaufenden Abschnitt 5 des isolierten elektrischen Leiters 2 eine elektrische Spannung und in jedem längs der Innenwand des ferromagnetischen Hohlzylinders 1 verlaufenden Abschnitt 5 des elektrischen Leiters 2 eine Gegenspannung induziert, wobei die Gegenspannung bei magnetfeldfreien Innenraum 4 des ferromagnetischen Hohlzylinders beziehungsweise bei vollständiger magnetischer Abschirmung des Innenraumes 4 nach Null geht. Bei der sich ergebenden sehr geringen Magnetfeldstärke im Innenraum 4 des ferromagnetischen Hohlzylinders 1 sind die Gegenspannungen wesentlich geringer als die in den entlang der Außenwand des ferromagnetischen Hohlzylinders 1 verlaufenden Abschnitten 5 des isolierten elektrischen Leiters 2 induzierten Spannungen. Die in dem entlang der Außenwand des ferromagnetischen Hohlzylinders 1 verlaufenden Abschnitt 5 des isolierten elektrischen Leiters 2 induzierten elektrischen Spannungen addieren sich daher zu einer Gesamtspannung, die nahezu gleich dem Produkt aus der in einem solchen Abschnitt induzierten Spannung und der Windungszahl des um Innen- und Außenwand des ferromagnetischen Hohlzylinders gelegten isolierten elektrischen Leiters 2 ist. Diese Gesamtspannung liegt an den Klemmen 7 und 8 des Bauelementes und ist die Gesamtspannung V von dem als Spannungsgenerator ausgebildeten Bauelement. Are In the example shown in Fig. 2, designed as a voltage generator device according to the invention as in Fig. 2 in simplified form, set a plurality of turns of an insulated electrical conductor 2 to the inner and outer wall of ferromagnetic hollow cylinder, the advantageous in a convenient embodiment, can cover the entire inner wall and essentially also the entire outer wall of the ferromagnetic hollow cylinder. If the component is guided, for example, by a magnetic field running at right angles to the axis of the ferromagnetic hollow cylinder 1 , then in each section 5 of the insulated electrical conductor 2 running along the outer wall of the ferromagnetic hollow cylinder 1 , an electrical voltage and in each along the inner wall of the ferromagnetic hollow cylinder 1 Section 5 of the electrical conductor 2 induces a counter voltage, the counter voltage going to zero when the interior 4 of the ferromagnetic hollow cylinder is free of magnetic fields or when the interior 4 is completely magnetically shielded. Given the resulting very low magnetic field strength in the interior 4 of the ferromagnetic hollow cylinder 1 , the opposing voltages are substantially lower than the voltages induced in the sections 5 of the insulated electrical conductor 2 running along the outer wall of the ferromagnetic hollow cylinder 1 . The electrical voltages induced in the section 5 of the insulated electrical conductor 2 running along the outer wall of the ferromagnetic hollow cylinder 1 therefore add up to a total voltage which is almost equal to the product of the voltage induced in such a section and the number of turns around the inner and outer wall of the ferromagnetic hollow cylinder placed insulated electrical conductor 2 . This total voltage is at the terminals 7 and 8 of the component and is the total voltage V of the component designed as a voltage generator.

Das in Fig. 3 gezeigte als Stromgenerator ausgebildete Bauelement nach der Erfindung umfaßt einen ferromagnetischen Hohlzylinder 1, einen durch den ferromagnetischen Hohlzylinder 1 hindurch geführten isolierten elektrischen Leiter 2 und einen den ferromagnetischen Hohlzylinder 1 umgebenden zweiten, nicht ferromagnetischen, elektrisch leitenden Hohlzylinder 9, der mit dem durch den ferromagnetischen Hohlzylinder 1 geführten isolierten elektrischen Leiter 2 mittels der Verbindung 10 elektrisch leitend verbunden ist. Bei Bewegung des Bauelementes in einem Magnetfeld mit beispielsweise rechtwinklig zur Achse des ferromagnetischen Hohlzylinders 1 verlaufender Magnetflußrichtung wird in dem elektrisch leitenden nicht ferromagnetischen Hohlzylinder 9 eine den Strom (I) antreibende elektrische Spannung induziert, während in dem durch den ferromagnetischen Hohlzylinder 1 hindurch geführten Leiter 2 wegen der magnetischen Abschirmung durch den ferromagnetischen Hohlzylinder 1 nur eine gegenüber der im Hohlzylinder 9 induzierten elektrischen Spannung vernachlässigbar geringe Gegenspannung induziert wird. Die in dem elektrischen leitenden Hohlzylinder 9 induzierte Spannung treibt den Strom (I) an, der dem Bauelement an den Klemmen 7 und 8 entnommen werden kann. The component according to the invention shown in FIG. 3 as a current generator comprises a ferromagnetic hollow cylinder 1 , an insulated electrical conductor 2 passed through the ferromagnetic hollow cylinder 1 , and a second, non-ferromagnetic, electrically conductive hollow cylinder 9 surrounding the ferromagnetic hollow cylinder 1 the insulated electrical conductor 2 guided through the ferromagnetic hollow cylinder 1 is electrically conductively connected by means of the connection 10 . When the component is moved in a magnetic field with a magnetic flux direction, for example, perpendicular to the axis of the ferromagnetic hollow cylinder 1 , an electric voltage which drives the current (I) is induced in the electrically conductive non-ferromagnetic hollow cylinder 9 , while in the conductor 2 passed through the ferromagnetic hollow cylinder 1 Because of the magnetic shielding by the ferromagnetic hollow cylinder 1, only a negligible counter voltage is induced compared to the electrical voltage induced in the hollow cylinder 9 . The voltage induced in the electrically conductive hollow cylinder 9 drives the current (I), which can be taken from the component at the terminals 7 and 8 .

Die zuvor abgehandelten Anwendungsbeispiele stellen für sich eigenständige Erfindungen dar und können noch zum Gegenstand von zusätzlichen Ansprüchen gemacht werden. Mit den magnetisch abgeschirmten Leitern (Fig. 2) können durch geeignete Gestaltung des Bauelementes weitere z. B. flächen- oder ringförmige magnetfeldfreie Zonen geschaffen werden mit Anwendungen, die bisher noch nicht realisiert werden konnten. The previously dealt with application examples represent independent inventions and can still be made the subject of additional claims. With the magnetically shielded conductors ( Fig. 2) can be further z. B. area or ring-shaped magnetic field-free zones can be created with applications that could not previously be realized.

Claims

1. Electromagnetic component with a ferromagnetic hollow cylinder, characterized in that a plurality of turns of an insulated electrical conductor are guided around the hollow cylinder wall , so that a voltage is induced in the turns of the conductor when the component is moved in a magnetic field with a magnetic flux direction running at an angle to the hollow cylinder axis, which can be tapped at the conductor ends arranged on one side of the hollow cylinder, or when the current is fed in at the conductor ends, a movement of the component is effected in a magnetic field.

2. Component according to claim 1, characterized in that the turns of the Insulated electrical conductor outer and inner wall of the ferromagnetic hollow cylinder cover for the most part, preferably almost completely, so that one of the resulting large number of turns corresponding to high electrical voltage in the Head is induced.

3. Electromagnetic component with a ferromagnetic hollow cylinder, thereby characterized in that an insulated electrical by the ferromagnetic hollow cylinder Conductor is guided at one end of the ferromagnetic hollow cylinder with one ferromagnetic hollow cylinder surrounding second, electrically conductive, not Ferromagnetic hollow cylinder is connected so that when the component is moved in a magnetic field with an angle to the axis of the hollow cylinder Magnetic flux direction between the conductor end of the insulated electrical conductor on the other side of the ferromagnetic hollow cylinder and that on the same side of the Ferromagnetic hollow cylinder located end of the second, electrically conductive, not Ferromagnetic hollow cylinder can be tapped an induced electrical voltage can, or a movement of the Component is effected in a magnetic field.