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Leiteranordnungg für Hochstromanlagen In bestimmten elektrischen Anlagen,
beispielsweise für das Gebiet der Plasmaphysik, kommen extrem hohe Stromstärken
zur Anwendung. Diese Ströme werden aus Energiespeichern, beispielsweise Kondensatoren,
stoßweise entnommen und einer Last zugeführt, die vorwiegend aus einer einwindigeii
Spule besteht, Um extrem hohe Stromscheitelwerte im Moment der Einschaltung zu erreichen,
ist es erforderlich, die allein maßgebenden induktiven Widerstände der Hochstromleitungen
und Sammelschienen äußerst gering zu halten. Es ist bekannt, derartige Leitungen
dadurch niederinduktiv zu machen, daß sie als Koaxialkabel ausgeführt werden. Da
die Stromquelle üblicherweise aus einer Vielzahl von Kondensatoren bzw. Kondensatorbatterlen
bestehen, werden Koaxialkabel bereits weitgehend als Verbindungsleitungen zwischen
diesen zahlreichen Einzelstromquellen zur Last bzw. einer Sammeleinrichtung benutzt.
Eine Sammeleinrichtung oder Kollektor ist notwendia da es im Hinblick auf die relativ
geringe räumlichee Abmessung der Lastspule unmöglich ist, die zahlreichen Einzelkabel
der Batterien unmittelbar an die Lastspule anzuschließen. Es ist erforderlich, ein
Bauelement zu schaffen, das einerseits genügend Raum zum Anschluß der zahlreichen
Einzelkabel bietet und andererseits den Hochstrom auf einem niederinduktiven Weg
der beschränkt bemessenen Lastspule zuführt. Es ist klar, daß dabei der Energiefluß
eine außergewöhnliche Steigerung der Energiedichte erf ährt.
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Bei der Konstruktion eines derartigen Schaltungsbauelementes, das
gemäß seiner Aufgabe als Kollektor bezeichnet wird, muß in erster Linie die bereits
erwähnte Forderung einer extrem kleinen Eigeninduktivität beachtet werden. Weiterhin
sind gewisse Forderungen bezüglich der mechanischen Festigkeit zu beachten, denn
infolge der ungewöhnlich hohen Stromstärken wirken beträchtliche mechanische Kräfte
auf die einzelnen Leiterteile ein, die unter Umständen zu einer Explosion des Bauelementes
führen können. Bei dem Bau derartiger Zwischenbauelemente, die zwischen der vorwiegend
induktiven Last und dem kapazitiven Energiespeicher die Energieleitung vermitteln,
ist ferner zu beachten, daß hier ein schwingungsfähiges Gebilde vorliegt. Nach Auslösung
der Entladung tritt eine gedämpfte Schwingung mit einer Frequenz von mehreren tausend
Hertz auf. Diese relativ hohe Frequenz hat in Verbindung mit den extrem hohen Strömen
zur Folge, daß sich ein beträchtlicher Hauteffekt ausbildet. Die massiv ausgebildeten
Leiterteile führen somit in einer relativ dünnen Oberflächenschicht nahezu den vollen
Strom. Bei Änderung der räumlichen Stromflußrichtung, wie sie insbesondere an den
Anschlußstellen infolge der notwendigen Verkröpfungen bzw. Verschränkungen auftreten,
ergeben sich auf Grund des Hauteffektes an den übergangsstellen punktfönnige Bereiche,
in denen ungewöhnlich hohe Stromdichten auftreten. Diese räumlich eng begrenzten
Bereiche werden stark erwärmt und zeigen deshalb häufig Schmelzerscheinungen, besonders
an Verbindungsstellen.
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Ein beispielhaftes Schema einer Leiteranordnung für Höchstströme,
insbesondere in Forschungsanlagen der Plasmaphysik, ist aus F i g. 1 ersichtlich.
Von einer nicht dargestellten Kondensatorbatterie wird über ebenfalls nicht dargestellte
getriggerte Schaltfunkenstrecken die Lastspule 1 gespeist. Die Länge dieser
Spule ist relativ begrenzt. Zum Anschluß der zahlreichen Kondensatoren ist eine
Vielzahl von Koaxialkabeln 2 vorgesehen, die über einen Zwischenkollektor
3 an das Hauptsammelschienenpaar bzw. an den Hauptkollektor 4 angeschlossen
sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den einzelnen Leitun-Steilen an den
Verwindungs- und Verkröpfungsstellen der Hochstromanlage eine Form zu geben,
die
die örtliche Stromdichtenkonzentrationen auf Grund des Hauteffektes, insbesondere
an den Kanten bandförmiger Stromschienen, vermeidet. Die Stromdichten sollen längs
des Stromflusses konstant bleiben oder sich gleichförmig ändern. Im allgemeinen
wird mit der Annäherung an die Last wegen deren beschränkten räumlichen Abmessungen
eine nicht unbeträchtliche Erhöhung der Stromdichte stattfinden. Eine leichte Herstellbarkeit
der verschiedenen Leitungsteile soll außerdem sichergestellt sein.
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Die Erfindung geht von den bei Mittel- und Hochfrequenzanlagen bekannten
Maßnahmen aus, die Induktivität von schienenförmigen Verbindungsleitungen dadurch
herabzusetzen, daß die Hin- und Rückleitun-sschienen unter Zwischenlage von Isolierfolien
paarweise aufeinandergelegt und verschraubt werden. Das ganze oben geschilderte
Problem erfordert jedoch zu seiner Lösung noch wesentlich weiter-Crehende, ganz
spezielle Maßnahmen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Leiteranordnung für Hochstromanlagen
zum Anschluß einer Vielzahl von Einzelstromquellen mittels Koaxialkabel und zur
induktionsannen Weiterleitung der gesammelten Einzelströme an den Verbraucher mit
verwundenen und gekröpften, vorwiegend bandförmigen Leitereleinenten, die unter
Zwischenlage von Isolationsfolien paarweise mit gegensätzlichen Stromrichtungen
aufeinanderliegen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente im Verwindungsbereich
Teile eines Zylinder- oder eines Kegelmantels bilden, dessen Werkstoffasern durch
die Formänderung weder gestreckt noch gestaucht werden.
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In den F i g. 2 bis 5 ist das Lösungsprinzip bzw. ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Grundgedanke der Erfindung beruht
auf der überlegung.. daß eine Konstanz der Stromdichte bei Verwindungen und Verkröpfungen
bandförmiger Leiter beim Auftreten von Hauteffekten nur dann erreicht wird, wenn
alle Werkstoffasem des Leiterquerschnittes bei der Formänderung weder gestreckt
noch gestaucht werden. An Hand der F i g. 2 sei der Fall betrachtet, daß
ein Band von relativ geringer Dicke von der Lage 5 in die Lage
6 verkröpft werden soll. Dies läßt sich unter Betrachtung der obigen Richtlinien
gemäß der Erfindung dadurch erreichen, daß dieses Band auf -eine Zylinderinantelfläche
aufgewickelt wird. Dieser Vorgang ist in F i g. 2 deutlich zu sehen. Bei
der Aufwicklung nehmen alle Längsfasern des Bandes die Form von Schraubenlinien
an wobei ihre gegenseitigen Abstände unverändert bleiben. Damit wird eine Streckung
bzw. Stauchung der Materialfasem vermieden. Die geringfügigen Dehnungsvorgänge infolge
der endlichen Dicke des Bandes sollen hierbei vernachlässigt werden. Vor der Aufwicklung
hat das Leiterband die in F i g. 3 dargestellte- Form. Sind die beiden Richtungen
5 und 6 nach der Verkröpfung nicht parallel, sondern zueinander windschief,
dann ist erfindungsgemäß an Stelle der Zylinderfläche eine entsprechende Kegelfläche
für die Aufwicklung des Bandes zu benutzen.
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Durch den erfindungsgernäßen Aufwickelvorgang auf Zylinder- bzw. Kegelflächen
kann außer der Unversehrtheit der Materialfasem noch erreicht werden, daß die Krümmungsradien
längs der Verwindungskante sich nach einer gewissen Vorschrift ändern. Auf Grund
der elektrodynamischen Induktionsgesetze ist es bei Leitern endlicher Dicke vorteilhaft,
beim übergang von einer Geraden in eine Krümmung und umgekehrt die Krümmungsradien
stetig ab- und schließlich nach dem Scheitelpunkt der Krümmung wieder stetig zunehmen
zu lassen. Diese Bedingung ist Voraussetzung dafür, daß der Hauteffekt,
d. h. die Zusammendrängung der Stromdichte an der Oberfläche ihr geringstmögliches
Ausmaß annimmt. Dieser Vorgang ist etwa vergleichbar mit den laminaren Strömungen
von Flüssigkeiten in gekrümmten Kanälen.
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In der Regel werden bei Hochstromanlagen aus Induktivitätsgründen
eng aneinanderliegende Doppelleiter mit Isolationszwischenlagen verwendet. Die erfindungsgemäße
Verkröpfung durch Aufwicklung auf eine Zylinderfläche läßt sich auch mit Doppelleitern
durchführen und bringt den weiteren Vorteil, daß die Isolationsfolie keine mechanischen
Deformationen erleidet, wodurch ihre elektrische Spannungsfestigkeit voll erhalten
bleibt.
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In den F i g. 4 und 5 ist ein technisches Ausführungsbeispiel
eines Leiterteiles für Hochstromanlagen dargestellt. Das an der Last anzuschließende
Ende 7 Creht nach Verwindung um einen rechten Winkel und C
gleichzeitiger
Verbreiterung in die Anschlußfahnen 8
über. In F i g. 5 ist die dazu
gehörende Abwicklungsfläche dieses Leiterteiles dargestellt. Die Begreiizungskurven
sind bei der Herstellung dieses Rohteiles gemäß der obengenannten Vorschrift über
die allmähliche Ab- und Zunahme der Krümmungsradien ausgeführt. Die Verkröpfung
gemäß Aufwicklung auf einen Zylinder erfolgt bei zwei aufeinanderliegenden Rohteilen
gleichzeitig. Beide Leiterrohteile sind durch eine Isolierfolie 9 getrennt,
die während des Verkröpfungsvorganges keine Materialbeanspruchung erfährt. Die Enden
7 der beiden Leiterelemente werden mit einem nicht dargestellten waagerecht
verlaufenden Sammelschienenpaar der Last verbunden. An die Stimseiten der jeweiligen
Lötfahnenenden 8 wird je ein Bündel von Koaxialkabeln angeschlossen.
Die eng aneinanderliegenden Teffelemente gewährleisten eine niederinduktive Fortleitung
von extrem hohen Stromstärken bei hoher Spannungsfestigkeit.