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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen koaxialen Spulenbeschleuniger.
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Aus der
DE 41 31 595 C2 (siehe
2 und zugehörigem Text) ist ein koaxialer Spulenbeschleuniger bekannt. Der koaxiale Spulenbeschleuniger umfasst eine ortsfeste Statorspulenanordnung und eine zu beschleunigende Translatorspulenanordnung. Die Statorspulenanordnung weist einen zylindrischen Hohlraum auf, der von einer Windung der Statorspule umgeben ist. Die Translatorspulenanordnung umfasst eine Translatorspule. Der zylindrische Hohlraum der Statorspulenanordnung ist dazu ausgebildet, die Translatorspule der Translatorspulenanordnung zu Beginn und während einer anfänglichen Beschleunigung koaxial aufzunehmen. Daraus resultiert der Begriff koaxialer Spulenbeschleuniger. Bei dieser Art Spulenbeschleuniger treten in der Statorspule hohe nach außen gerichtete Radialkräfte auf. Dagegen treten in der Translatorspule hohe nach innen gerichtete Radialkräfte auf. Die zu beschleunigende Translatorspulenanordnung kann ein Flugkörper oder Projektil sein.
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Aus der
DE 10 2004 051 070 A1 (siehe
4 und zugehörigem Text) ist ein gattungsgemäßer koaxialer Spulenbeschleuniger bekannt. Jeweils zwei dieser Spulenbeschleuniger, die gegenüberliegend angeordnet sind, bilden eine Prüfeinrichtung zur hochdynamischen Werkstoffprüfung. Der Spulenbeschleuniger umfasst eine Statorspulenanordnung und eine Translatorspulenanordnung. Die Statorspulenanordnung umfasst eine Statorspulenwicklung und einen die Statorspulenwicklung umgebenden Statorspulenhalter zur Aufnahme der radialen, nach außen gerichteten Kräfte. Die Statorspulenanordnung weist einen zylindrischen Hohlraum auf, der von Windungen der Statorspulenwicklung umgeben ist. Die Statorspulenwicklung ist eine Zylinderspule. Entsprechend ist die Wicklungsdichte konstant. Die Translatorspulenanordnung umfasst einen Antriebszapfen. Der Antriebszapfen besteht der Einfachheit halber vollständig aus einem elektrisch gut leitenden Material und stellt die Translatorspule dar. Der Stromfluss ergibt sich aus den Induktions- und Kopplungsgesetzen sowie dem Skineffekt. Der zylindrische Hohlraum der Statorspulenanordnung ist dazu ausgebildet, den Antriebszapfen der Translatorspulenanordnung zu Beginn und während einer anfänglichen Beschleunigung koaxial aufzunehmen. Es wird dargelegt, dass Zylinderspulen gegenüber Kegelspulen über den größten Beschleunigungsweg verfügen und dass somit eine minimale Schockbelastung während der Beschleunigungsphase gewährleistet ist (Absatz 0033).
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen elektromagnetischen Spulenbeschleuniger derart weiterzubilden, dass der Beschleunigungsweg erhöht ist, die Beschleunigung sanfter erfolgt und der Wirkungsgrad verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Die Vorteile der Erfindung beruhen insbesondere darauf, dass die Statorspulenwicklung eine sich verändernde Wicklungsdichte aufweist. Die Wicklungsdichte ist definiert durch die Anzahl der Wicklungen pro Längeneinheit der Statorspulenwicklung. Die Wicklungsdichte verändert sich derart, dass sie ab Beginn oder spätestens ab Mitte der Statorspulenwicklung in Richtung der Beschleunigung um mindestens 20%, vorzugsweise um mindestens 35%, besonders bevorzugt um mindestens 50%, abnimmt. Hierdurch wird erreicht, dass die Beschleunigungskraft über eine längere Wegstecke auf die Translatorspulenanordnung einwirkt. Hierdurch wird die Stoßbelastung, die auf die Translatorspulenanordnung während der Beschleunigung einwirkt, reduziert. Untersuchungen zeigten, dass der Wirkungsgrad deutlich höher ist. In den Ausführungsbeispielen werden die technischen Merkmale und die Effekte illustriert.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Statorspulenwicklung eine Mehrzahl von Wicklungslagen auf, derart, dass die Anzahl der Wicklungslagen in Richtung der Beschleunigung abnimmt. Dies stellt eine erste Ausführung dar, bei der die Wicklungsdichte in Richtung der Beschleunigung abnimmt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Windungen der Statorspulenwicklung Steigungswerte auf, die in Richtung der Beschleunigung ansteigen. Dies stellt eine zweite Ausführung dar, bei der die Wicklungsdichte in Richtung der Beschleunigung abnimmt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorhergehenden Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Statorspulenwicklung in einer Wendelnut einer Innenhülse. Die Wendelnut gibt die Steigungswerte vor; die in Richtung der Beschleunigung ansteigen. Dies vereinfacht eine Herstellung der Statorspulenwicklung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Statorspulenhalter eine hochfeste Außenhülse. Mit einer hochfesten Außenhülse lassen sich die hohen, nach außen gerichteten Radialkräfte gut übertragen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen zwischen der Statorspulenwicklung und der Außenhülse Zwischenräume vor, die von einer ausgehärteten Masse eingenommen sind. Die ausgehärtete Masse sorgt dafür, dass die nach außen gerichteten elektromagnetischen Kräfte von der Statorspulenwicklung auf die Außenhülse übertragen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Statorspulenanordnung zwischen dem zylindrischen Hohlraum und den Windungen der Statorspulenwicklung eine Führungshülse auf. Die Führungshülse dient der Führung und dem Schutz des Antriebszapfens mit der Translatorspule und dem Schutz der Windungen der Statorspulenwicklung. Die Führungshülse ist aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigt und verhält sich elektromagnetisch neutral.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Antriebszapfen einen die Translatorspule bildenden, elektrisch leitenden Ring und einen druckfesten Dorn auf, derart, dass der Dorn den Ring haltert. Mit dem druckfesten Dorn werden die nach innen gerichteten Radialkräfte der Translatorspule sicher aufgenommen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Antriebszapfen einen die Translatorspule bildenden Längsabschnitt auf, der vollständig aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Im Längsabschnitt kommt es zu partiellen Stromflüssen nach Art eines elektrisch leitenden Ringes.
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Ein nebengeordneter Anspruch ist auf die Statorspulenanordnung gerichtet, da die Statorspulenanordnung eine eigenständige Herstellungseinheit ist. Die nebengeordnete Statorspulenanordnung bildet mit der separaten und getrennt herzustellenden Translatorspulenanordnung ein funktionelles Zusammenspielspiel.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 einen elektromagnetischen Spulenbeschleuniger, im Längsschnitt;
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2 einen weiteren elektromagnetischen Spulenbeschleuniger, im Längsschnitt;
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3a, 3b jeweils einen elektromagnetischen Spulenbeschleuniger, zum einen mit einer abnehmenden Wicklungsdichte, realisiert über eine abnehmende Anzahl von Wicklungslagen, und zum andern mit einer gleichbleibenden Wicklungsdichte, wie nach dem Stand der Technik, jeweils als Prinzipskizze mit dem sich ergebenden Kräftelinienverlauf der magnetischen Induktion B;
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4a, 4b einen elektromagnetischen Spulenbeschleuniger, zum einen mit einer abnehmenden Wicklungsdichte, realisiert über anwachsende Steigungswerte der Windungen der Statorspulenwicklung, und zum andern mit einer gleichbleibenden Wicklungsdichte, wie nach dem Stand der Technik, jeweils als Prinzipskizze mit eingezeichnetem Kräftelinienverlauf der magnetischen Induktion B.
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Die Zeichnungen stellen lediglich Prinzipskizzen dar. Die Wicklungsquerschnitte zu beiden Seiten der Längsachse sind aus Gründen einer einfachen Darstellung nicht versetzt gezeichnet.
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Aufbau eines Spulenbeschleunigers, allgemeines Prinzip, Fig. 1
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Die 1 zeigt einen elektromagnetischen Spulenbeschleuniger 1. Der Spulenbeschleuniger 1 umfasst eine Statorspulenanordnung 10 und eine Translatorspulenanordnung 20. Die Statorspulenanordnung 10 umfasst eine Statorspulenwicklung 11 und einen die Statorspulenwicklung 11 umgebenden Statorspulenhalter 12 zur Aufnahme elektromechanischer Kräfte. Die Statorspulenanordnung 10 weist einen zylindrischen Hohlraum 14 auf, der von Windungen der Statorspulenwicklung 11 umgeben ist. Die Translatorspulenanordnung 20 umfasst einen Antriebszapfen 21. Der Antriebszapfen 21 umfasst eine Translatorspule. Im konkreten Fall der 1 liegt eine erste Translatorspule, eine zweite Translatorspule und eine dritte Translatorspule in Form von Ringen 22a, 22b und 22c vor. Der zylindrische Hohlraum 14 der Statorspulenanordnung 10 ist dazu ausgebildet, den Antriebszapfen 21 der Translatorspulenanordnung 20 zu Beginn und während einer anfänglichen Beschleunigung koaxial aufzunehmen.
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Das allgemeine Prinzip des Spulenbeschleunigers ist wie folgt:
- – Zu Anfang beaufschlagt man die Statorspulenanordnung mit einem Strompuls.
- – Aufgrund des Strompulses erzeugt die Statorspulenwicklung ein temporäres Magnetfeld.
- – Das temporäre Magnetfeld induziert einen Stromfluss in der Translatorspule.
- – Die stromdurchflossene Translatorspule baut ein Magnetfeld auf.
- – Aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes der Translatorspule mit dem Magnetfeld der Statorspulenwicklung wird die Translatorspulenanordnung beschleunigt.
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Einzelheiten zur Statorspulenwicklung, Fig. 1
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Die Statorspulenwicklung 11 weist eine sich verändernde Wicklungsdichte auf. Die Werte für die Wicklungsdichte ergeben sich durch die Anzahl der Wicklungen pro Längeneinheit. Die Wicklungsdichte nimmt, bezogen auf den allgemeinen Fall, ab Beginn oder spätestens ab Mitte der Statorspulenwicklung 11 in Richtung der Beschleunigung um mindestens 20% ab. Mit der abnehmenden Wicklungsdichte erzielt man einen längeren Beschleunigungsweg und damit eine sanftere Beschleunigung. Ebenso erhöht sich der Wirkungsgrad.
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Im konkreten Ausführungsbeispiel nach 1 nimmt die Wicklungsdichte ab einem Längsrichtungspunkt hinter dem ersten Drittel und vor der Mitte der Statorspulenwicklung 11 in Richtung der Beschleunigung um etwa 75% ab. Die Statorspulenwicklung 11 weist eine Mehrzahl von Wicklungslagen auf. Die Anzahl der Wicklungslagen 11a, 11b, 11c, 11d nimmt in Richtung der Beschleunigung ab. Zu Anfang besteht die Statorspulenwicklung 11 aus vier Wicklungslagen 11a, 11b, 11c, 11d. Am Ende weist die Statorspulenwicklung 11 nur noch eine Wicklungslage auf, bei der es sich um die dargestellte Wicklungslage 11a handelt.
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Der Statorspulenhalter 12 ist eine hochfeste Außenhülse, um die nach außen wirkenden Radialkräfte aufzunehmen.
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Zwischen der Statorspulenwicklung 11 und der Außenhülse liegen Zwischenräume 15 vor, die von einer ausgehärteten Masse eingenommen sind. Die ausgehärtete Masse überträgt die nach außen wirkenden Radialkräfte auf die hochfeste Außenhülse.
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Die Statorspulenanordnung 10 weist zwischen dem zylindrischen Hohlraum 14 und den Windungen der Statorspulenwicklung 11 eine dünnwandige Führungshülse 16 aus einem elektromagnetisch neutralen Werkstoff auf. Neben der Führungsfunktion für den Antriebszapfen 21 dient die Führungshülse 16 als mechanischer und elektrischer Schutz.
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Der Antriebszapfen 21 weist einen die erste Translatorspule bildenden elektrisch leitenden Ring 22a, einen die zweite Translatorspule bildenden elektrisch leitenden Ring 22b, einen die dritte Translatorspule bildenden elektrisch leitenden Ring 22c und einen druckfesten Dorn 24 auf. Der Dorn 24 haltert die Ringe 22a, 22b und 22c und nimmt die nach innen gerichteten Druckkräfte auf.
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Die gezeigte Translatorspulenanordnung 20 mit der ersten Translatorspule 22a, der zweiten Translatorspule 22b und der dritten Translatorspule 22c dient der besseren Verteilung der Antriebskräfte. Querschnitt, Durchmesser sowie Abstand der einzelnen Translatorspulen ergeben sich aus Berechnungen der magnetischen Kopplung der Ringe 22a, 22b und 22c untereinander. Die Abstufung der einzelnen Ringe 22a, 22b und 22c ist dem magnetischen Feldverlauf der Statorspulenwicklung 11 angepasst.
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Die Translatorspulenanordnung 20 umfasst noch einen Prüfbehälter 25 zur Aufnahme eines Prüflings, der einem Beschleunigungstest unterzogen werden soll.
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Alternativen, Fig. 2
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Um eine abnehmende Wicklungsdichte zu erhalten, weisen die Windungen der Statorspulenwicklung 11 Steigungswerte s0, s1 und s2 auf, die in Richtung der Beschleunigung ansteigen. Im konkreten Ausführungsbeispiel nach 2 nimmt die Wicklungsdichte ab einem Längsrichtungspunkt vor der Mitte der Statorspulenwicklung 11 in Richtung der Beschleunigung um etwa 50% ab.
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Die Statorspulenwicklung 10 verläuft in einer Wendelnut 13a einer Innenhülse 13. Die Wendelnut 13a gibt die Steigung s0, s1 und s2 während des Wickelvorganges vor und erleichtert die Herstellung der Statorspulenanordnung.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist keine Führungshülse 16 wie in der Ausführung nach 1 vorgesehen, da in der Ausführung nach 2 die Aufgaben der Führung und des Schutzes von der Innenhülse 13 mit wahrgenommen werden. Die Ausführung nach 2 könnte jedoch auch mit einer zusätzlichen Führungshülse 16 wie in 1 versehen sein, um beispielsweise besonders niedrige Reibungswerte zu erzielen.
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Der Antriebszapfen 21 weist einen die Translatorspule bildenden Längsabschnitt 24 auf, der vollständig aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Während der Beschleunigung fließen in dem Längsabschnitt 24 Ströme ähnlich wie bei einem der elektrisch leitenden Ringe 22a, 22b und 22c in 1. Der Stromfluss ergibt sich aus den Induktions- und Kopplungsgesetzen sowie dem Skineffekt. Die Translatorspulenanordnung 20 umfasst noch einen dünnwandigen Prüfling 26, der einem Beschleunigungstest unterworfen werden soll.
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In Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel könnte der die Translatorspule bildende Längsabschnitt 24 aus einem leitenden Vollmaterial auch eine nach hinten offene Sacklochbohrung aufweisen. Dies wäre zwar fertigungstechnisch aufwendiger, würde aber die zu beschleunigende Masse reduzieren.
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Effekt der abnehmenden Wicklungsdichte, Fig. 3a und Fig. 3b, Fig. 4a und Fig. 4b
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Die 3a zeigt, dass die Statorspulenwicklung 11 eine in Richtung der Beschleunigung abnehmende Wicklungsdichte aufweist. Im Gegensatz dazu ist die Wicklungsdichte der Statorspulenwicklung 11 nach dem Stand der Technik, wie 3b zeigt, gleichbleibend.
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Bedingt durch die abnehmende Wicklungsdichte bewirkt die Statorspulenwicklung nach 3a einen Verlauf der Kräftelinien der magnetischen Induktion B wie bei einem spitzen Ei. Eine gleichbleibende Wicklungsdichte bewirkt dagegen, wie 3b zeigt, einen Verlauf der Kräftelinien der magnetischen Induktion nach Art einer Ellipse.
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Das Entscheidende der Ausführung nach 3a mit der abnehmenden Wicklungsdichte liegt darin, dass der Weg der Beschleunigung länger ist als bei einer Statorspulenwicklung 11 nach 3b mit einer gleichbleibenden Wicklungsdichte. Durch den längeren Weg der Beschleunigung erfolgt die Beschleunigung sanfter. Untersuchungen zeigten, dass dadurch auch der Wirkungsgrad, das Verhältnis der kinetischen Energie zu der zugeführten elektrischen Leistung, deutlich erhöht ist.
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Die 3a zeigt, dass der elektrisch leitende, eine Translatorspule darstellende Ring 22 bereits in der Mitte PM der Statorspulenwicklung eine Kraftkomponente Fx in Beschleunigungsrichtung aufweist, wogegen in 3b in der Mitte PM der Statorspulenwicklung 11 nur eine nach innen gerichteten Kraft F ohne eine Kraftkomponente in der Beschleunigungsrichtung vorliegt.
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In 3a ist der Beschleunigungsweg lB bezüglich der Spulenlänge lSpule eingezeichnet. Der Beschleunigungsweg lB bezogen auf die Spulenlänge lSpule beginnt beim Startpunkt PS und endet am Austrittspunkt PA der Spule 11. Man sieht sehr deutlich, dass der Beschleunigungsweg lB in 3a aufgrund der abnehmenden Spulendichte wesentlich länger ist als der Beschleunigungsweg lB in 3b. In 3b liegt der Startpunkt PS hinter dem Punkt der Spulenmitte PM nahe am Austrittspunkt PA, weil erst am Startpunkt PS eine ausreichende Kraftkomponente in Beschleunigungsrichtung vorliegt.
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Entsprechendes illustrieren die 4a und die 4b. Während die 4a eine Ausführung zeigt, bei der die Wicklungsdichte aufgrund zunehmender Steigungswerte abnimmt, zeigt die 4b im Vergleich eine Ausführung nach dem Stand der Technik mit gleichbleibender Wicklungsdichte. Entsprechend der Beschreibung zu den 3a und 3b, liegt bei der Ausführung nach 4a der abnehmenden Wicklungsdichte ein wesentlich längerer Beschleunigungsweg lB vor, weil bereits vor der Mitte PM der Statorspulenwicklung 11 eine Kraftkomponente Fx in Beschleunigungsrichtung vorliegt.
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Aus Gründen der Vereinfachung sind die magnetische Induktion B und deren Komponenten Bx und Br und die Kraft F und deren Komponenten Fx und Fr zum Teil nicht im Maßstab und zum Teil nicht winkelgetreu eingezeichnet.
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Zahlenmäßiges Ausführungsbeispiel
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Das zahlenmäßige Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine zu beschleunigende Translatorspulenanordnung des Kalibers 100 mm. Die Translatorspulenanordnung umfasst eine Translatorspule aus Kupfer mit einer Masse von 0,2 kg. Die Translatorspule ist ringförmig und weist einen rechteckigen, trapezförmigen oder runden Querschnitt auf. Die Translatorspulenanordnung weist einschließlich eines Prüfcontainers insgesamt eine Masse von 1,0 kg auf und soll auf 100 m/s beschleunigt werden. Die maximale Beschleunigungsamplitude soll 25000 g nicht übersteigen. Dies bedingt eine Beschleunigungszeit von mehr als 1 Millisekunde. Bei einem realistischen Wirkungsgrad von η = 8% werden 62,5 kJ Ausgangsenergie benötigt. Bei einer Kapazität der Kondensatorbank von C = 1840 μF beträgt die nötige Ladespannung 8,25 kV. Ein Spulenbeschleuniger stellt im Betrieb einen stark gedämpften Schwingkreis dar, dessen Periode in erster Näherung nach der Formel T = 2π√LC berechnet werden kann. Beträgt zum Beispiel die Induktivität der Statorspulenwicklung etwa L = 79 μH und geht man der Annahme aus, dass die Beschleunigungszeit im günstigsten Fall eine halben Periodenzeit beträgt, so erhält man mit den vorgenannten Angaben eine Beschleunigungszeit von 1,2 ms. Damit ergibt sich eine durchschnittliche Beschleunigung von 8500 g. Die Statorspulenwicklung hat eine Länge von 80 mm. Die Wicklungsdichte der Statorspulenwicklung nimmt in Richtung der Beschleunigung in den letzten 60 mm um 50% ab, um den Weg der Beschleunigung zu erhöhen und um die Beschleunigung sanfter zu gestalten.
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Beschleunigungsfall, Abbremsfall
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In den bisherigen Ausführungsbeispielen ist der Fall der Antriebs-Beschleunigung (Beschleunigung mit positivem Vorzeichen) behandelt worden. In Abweichung zu den bisherigen Ausführungsbeispielen kann der Spulenbeschleuniger auch zum Abbremsen einer Translatorspulenanordnung ausgebildet sein. Auch hierbei gilt, dass die Wicklungsdichte in Richtung der Beschleunigung, also in Richtung der Brems-Beschleunigung (Beschleunigung mit negativem Vorzeichen), abnimmt. Wegen des negativen Vorzeichens der Beschleunigung ist die Richtung der Beschleunigung die Richtung, die in Richtung der abzubremsenden Translatorspulenanordnung zeigt.
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Beschleunigung aus der Ruhelage, vorbeschleunigte Translatorspule
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In den bisherigen Ausführungsbeispielen wird die Translatorspulenanordnung aus der Ruhelage beschleunigt. In Abweichung hierzu könnte die Translatorspulenanordnung auch vorbeschleunigt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spulenbeschleuniger
- 10
- Statorspulenanordnung
- 11
- Statorspulenwicklung
- 11a, 11b, 11c, 11d
- Wicklungslagen
- 12
- Statorspulenhalter (z. B. hochfeste Außenhülse)
- 13
- Innenhülse
- 13a
- Wendelnut
- 14
- zylindrischen Hohlraum auf,
- 15
- Zwischenräume, von einer ausgehärteten Masse eingenommen
- 16
- Führungshülse
- 20
- Translatorspulenanordnung
- 21
- Antriebszapfen
- 22, 22a, 22b, 22c
- jeweils ein elektrisch leitender, eine Translatorspule darstellender Ring
- 23
- druckfester Dorn
- 24
- Längsabschnitt aus einem elektrisch leitenden Material (bildet Translatorspule)
- 25
- Prüfbehälter
- 26
- Prüfling
- s0, s1, s2
- Steigungswerte der Windungen der Statorspulenwicklung
- lB
- Beschleunigungsweg
- lSpule
- Spulenlänge
- PS
- Startpunkt der Beschleunigung
- PA
- Austrittspunkt der Spule
- PM
- Spulenmitte
- B, Bx, Br
- magnetische Induktion und deren Komponenten
- F, Fx, Fr
- Kraft und deren Komponenten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4131595 C2 [0002]
- DE 102004051070 A1 [0003]
