-
Kinetisch induktiver Energiespeicher.
-
Für verschiedene Zwecke, z.B. plasmaphysikalische Experimente und
Materialprüfungen, benötigt man kurzzeitig sehr hohe elektrische Leistungen, die
nicht direkt dem Netz entnommen werden können. In solchen Fällen speichert man die
erforderliche elektrische Energie während einer längeren Zeitspanne in einem Energiespeicher,
aus dem sie in einer im Vergleich zur Speicherzeit kurzen Zeitspanne entnommen werden
kann.
-
Man kennt im wesentlichen kapazitive und induktive Energiespeicher.
Kapazitive Energiespeicher zeichnen sich gegenüber induktiven Energiespeichern zwar
durch ihren im Prinzip einfachen Aufbau aus, sie nehmen jedoch relativ viel Raum
ein und der Verbraucher muß über Schalter angeschlossen werden, über die der volle
Laststrom fließt, was insbesondere bei hohen und höchsten Leistungen schwerwiegende
Probleme aufwirft.
Die vorliegende Erfindung betrifft kinetisch
induktive Energiespeicher und setzt sich zur Aufgabe, besonders einfache, kompakte
und leistungsfähige Energiespeicher dieser Art anzugeben.
-
Kinetisch-induktive Energiespeicher sind z.8. in Form von Stoßgeneratoren
zur Schalterprüfung lange bekannt. Meist handelt es sich dabei um 50 Hz-Synchrongeneratoren
oder Gleichstromgeneratoren, die voll erregt stoßartig auf den Verbraucher geschaltet
werden. Dabei treten Maximalströme in der Größenordnung von 10 bis 100 kA über eine
Zeit von einigen 100 ms auf. Wegen der naturgemäß hohen Induktivität sind höhere
Ströme und kürzere Impulse kaum zu verwirklichen. Etwas weiter kommt man mit stoßerregten
Unipolarmaschinen, die jedoch bei Anwendungsfällen, in denen Maximalströme von einigen
bis mehreren 100 MA für eine Zeitspanne von einigen Millisekunden verlangt werden,
wegen der Kontaktierungsprobleme sowie wegen Erregungsschwierigkeiten nicht mehr
eingesetzt werden können.
-
Für die Erzeugung kurzer, also einige Millisekunden dauernder hoher
Stromstöße gibt es jedoch neben den beiden oben erwähnten Prinzipien, nämlich der
schnellen Zusehaltung bzw. der schnellen Erregung umlaufender Maschinen noch eine
dritte Möglichkeit: Die schnelle Flußverdrängung und-Verdichtung. Auf dieses dritte
Prinzip bezieht sich
der Gegenstand der Erfindung.
-
Ein kinetisch induktiver Energiespeicher mit einer Erregerspule zum
Erzeugen eines hohen magnetischen Flusses in einem von einer Ausgangsspule umfaßten
Raum und mit einer Anordnung zum raschen Ändern und Komprimieren dieses Flusses
ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Leiteranordnung, die den magnetischen
Fluß möglichst weitgehend aus dem von der Ausgangsspule umfaßten Raum zu verdrängen
und gleichzeitig zu komprimieren gestattet.
-
Die Flußverdrängung und Kompression geschieht wie folgt: Der von der
Ausgangsspule umschlossene Raum, indem zuvor durch die Erregerspule ein hohes magnetisches
Feld erzeugt wurde, wird durch eine elektrisch gut leitende Anordnung mit einer
Geschwindigkeit ausgefüllt, die groß gegen die Eindringgeschwindigkeit des magnetischen
Feldes in diese Leiteranordnung ist.
-
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird in der Bohrung
einer vielwindigen Erregerspule ein bestimmter Ausgangswert der magnetischen Flußdichte
erzeugt.
-
In der Bohrung der Erregerspule liegt eng an deren Umfang angepaßt
und isoliert eine massive einwindige Spule in Form. eines längs einer Mantellinie
geschlitzten leitenden Zylinders. Am Schlitz der Spule setzen beidseitig Anschlußleitungen
an, die vorzugsweise als Bandleitung ausgebildet sind, Längsschlitze aufweisen und
durch die Windungen der Erregerspule geführt sind. An die Anschlußleiter ist ein
Verbraucher, z. B.
eine Spule angeschlossen. Wird nun die Bohrung
dieser Spulenanordnung, in der die Anfangsflußdichte BO herrscht, sehr schnell metallisch
ausgefüllt, so steigt die Flußdichte im frei verbliebenen Raum innerhalb der einwindigen
Spule wegen der endlichen Eindringgeschwindigkeit des magnetischen Feldes in Metalle
rasch und stark an, z.B. auf das 10- bis 100-fache. Gleichzeitig steigt die im magnetischen
Feld enthaltene Energie entsprechend dem Zuwachs aus der kinetischen Energie der
feldverdrängenden Metallmassen wesentlich über den durch die Erregerspule erzeugten
Anfangswert an. Die Flußverdrängung kann von der Achse zum Umfang der Bohrung erfolgen,
wie noch näher ausgeführt wird.
-
Bei der Flußverdrängung entstehen auf der Innenfläche der einwindigen
Spule..auf dem flußverdrängenden Metallkörper sowie im angeschlossenen Verbraucher
sehr hohe Ströme, deren Anfangsstromdichte der Tangentialkomponente des verdichteten
magnetischen Feldes entspricht. Die elektrische Strömung klingt in dem Maße ab,
in dem die Flußänderung abklingt und das magnetische Feld in die benachbarten Leiter
eindringt. Die Höhe des im Verbraucher entstehenden kurzen Stromimpulses ist durch
die gegebene Anfangsinduktion, die Bewegungsform und Energie der feldverdrängenden
Metallmassen sowie das Eindringen des Feldes in diese Metallmassen bestimmt. Die
metallischen Werkstoffe sollen möglichst gut leiten und eine Fermeabilität von wenigstens
annähernd gleich Eins aufweisen.
Die erfindungsgemäße Anordnung
hat z.B. für die plasmaphysikalische Forschung den Vorteil, daß bei Speisung eines
induktiven Verbrauchers der energetische Wirkungsgrad relativ hoch sein kann, da
die Speicherinduktivität bei der Stromerzeugung stark verringert wird. Die Erfindung
unterscheidet sich hierin vorteilhaft von den bekannten Energiespeichern, deren
Induktivität praktisch konstant bleibt. Beim Erfindungsgegenstand sind ferner keine
Schalter im Lastkreis erforderlich, wie z.B. bei kapazitiven Energiespeichern, was
eine wesentliche technische Vereinfachung darstellt. Der bekanntlich relativ geringe
Platzbedarf kinetischer Energiespeicher kann noch wesentlich herabgesetzt werden,
wenn zum Antrieb der feldverdrängenden metallischen Bauteile Explosivstoffe verwendet
werden, die sich durch eine noch höhere spezifische Speicherenergie auszeichnen.
-
Die Flußverdrängung und-Kompression ist besonders vollkommen, wenn
man supraleitende oder bei tiefen Temperaturen widerstandsreduzierte Werkstoffe
verwendet. Man kann dabei entsprechend den obigen Ausführungen einen aus einem supraleitenden
Material oder bei tiefen Temperaturen widerstandsreduziertem Material bestehenden
Körper*(es genügt dabei ein gegebenenfalls einseitig geschlossener Hohlzylinder)
rasch in den Innenraum der Spulenanordnung einführen, z.B. einschießen: Bei allen
Ausführungsformen kann man sich zur Erregung der Erregerspule beliebiger Energiequellen
bedienen', vorzugsweise werden jedoch Stoßstromerzeuger, z.B. Stoßmaschinen
der
eingangs erwähnten Art verwendet, die kurz vor der Einleitung der Feldverdrängung
Ausgangsfelder in der Größenordnung von beispielsweise 10 bis 20 kG zu erzeugen
gestatten. Die Erregerspule wird vorzugsweise aus möglichst dünnem Draht gewickelt,
um das Durchtreten des verdrängten Feldes in den Verbraucher möglichst wenig zu
behindern.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert,
es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
der Erfindung in einer Ebene I-I der Fig. 2; Fig. 2 eine Stirnansicht der in Fig.
1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 eine Draufsicht auf die in
Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 eine Schnittansicht
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, der Schnitt verläuft längs einer Linie
IV-IV in Fig. 5r Fig. 5 eine Stirnansicht der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung; Fig. 6 eine Teilansicht einer dritten-Ausführungsform der Erfindung
im axialschnitt (Ebene VI-VI der Fig. 7) und Fig. 7 eine Stirnansicht eines Teiles
der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung.
-
Die in den Fig. 1 mit 3 dargestellte erste Ausführungsform der Erfindung
enthält einen radial geschlitzten
Spulenkörper 1, der vorzugsweise
aus einem Stück gefertigt ist und gleichzeitig als einwindige Ausgangsspule dient.
An den durch den Schlitz 3 getrennten Enden des zylindrischen Innenteiles 5 der
Ausgangsspule 1 setzen zwei Anschlußleitungen 7,9 an, die in ihrem ersten Teil kammartig
ausgebildet sind (vgl. Fig. 3) und zwischen den Windungen einer Erregerspule 11
(die in Fig. 3 nicht dargestellt ist) hindurchlaufen. An die Anschlußleiter 7, 9
ist ein als einwindige Spule 13 dargestellter Verbraucher angeschlossen. Die AnschluB-leiter
7, 9 können beispielsweise an einer Linie"15 anfänglich aufgetrennt sein, um das
Wickeln der Erregerspule zu erleichtern..
-
Im Betrieb wird die Erregerspule 11 mit einem gegebenenfalls impulsförmigen
Gleichstrom erregt, so daß im Inneren der Ausgangsspule 1 eine hohe magnetische
Feldstärke herrscht. Dieses magnetische Feld wird bei der dargestellten Ausführungsform
der Erfindung durch einen rasch in den Innenraum der Spule eingeführten Metallkörper
17 verdrängt und komprimiert. Der Metallkörper 17 kann durch eine chemische Treibladung
oder auch durch Federkraft angetrieben werden. Durch den mit hoher Geschwindigkeit
in den Innenraum 19 der Spule eintretenden Metallkörper wird der magnetische Fluß
an die Innenperipherie der Bohrung 19 zusammengedrängt und der Metallkörper wird
entsprechend der Energievergrößerung des magnetischen Feldes abgebremst. Die Eintrittsgeschwindigkeit
des Metallkörpers 17 soll so groß sein, daß das magnetische Feld während der Flußverdrängung
nicht nennenswert
in die Spule 1 und den Metallkörper 17 eintreten
kann. Im Verbraucherkreis entsteht während der Flußverdrängung ein kurzer und sehr
starker Stromstoß.
-
Bei der in Fig. 4 und 5 dargestellten zweiten Ausführungsform der
Erfindung sind die Ausgangsspule 1, die Erregerwicklung 11, die Verbraucheranschlüsse
7, 9 und der Verbraucher 13 wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet
und daher auch mit den gleichen Bezugäzeichen versehen. Die Art der kinetischen
Energiespeicherung sowie die Flußverdrängung weichen jedoch vom ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ab. In der Bohrung 19 rotiert. bei dieser zweiten Ausführungsform
ein zylindrischer Metallkörper 12, dessen Durchmesser wesentlich kleiner ist als
der der Bohrung. Der Metallkörper enthält eine Anzahl, z.B. vier ausfahrbarer plattenförmiger
Metallschieber 23, deren Außenkanten zunächst mit der Umfangsfläche des rotierenden
Zylinders 21 abschließen. Z.B. durch Auslösen einer Klinke werden die Schieber gleichzeitig
durch die Zentrifugalkraft bis zu einem Anschlag ausgefahren, so daß sie nahezu
den ganzen Bohrungsraum bestreichen. Der Zylinder 21 läuft im Betrieb mit sehr hoher
Drehzahl, z.B. 50 000 U/min um, so daß der magnetische Fluß nach Ausfahren der Schieber
weitgehend an die Innenperipherie der Bohrung verdrängt wird. Dabei wird die Rotationsbewegung
entsprechend der Energieaufnahme des magnetischen Feldes verlangsamt. Eine Steigerung
der gespeicherten kinetischen Energie ist durch außerhalb der Spule in einiger Entfernung
von dieser angebrachte Schwungräder 25 möglich. Die Flußverdrängung erfolgt so rasch,
daß
1
das Magnetfeld während des im Verbraucherkreis erzeugten
Stromimpulses noch nicht wesentlich in die Ausgangsspule 1 und die umlaufenden Platten
13 eindringen kann.
-
Anstelle der plattenförmigen Schieber 23 können auch sektorförmige
Ausfahrbare Metallteile oder ausfahpbare Klappen oder Ausleger verwendet werden.
-
In der Praxis kann eine große Anzahl der bemhriebenen Energiespeicher
parallel über eine sogenannte Kollektoranordnung an einen einzigen Verbraucher angeschlossen
werden.