DE1513874B1

DE1513874B1 - Device for generating a high DC voltage

Info

Publication number: DE1513874B1
Application number: DE19581513874
Authority: DE
Inventors: Robert Jemison Van De Graaff
Original assignee: High Voltage Engineering Corp
Current assignee: High Voltage Engineering Corp
Priority date: 1957-03-22
Filing date: 1958-03-11
Publication date: 1970-09-24
Also published as: SE318039B; NL298932A; CH378987A; NL125634C; CH444291A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erzeugen einer hohen Gleichspannung mit einem Magnetkern, dessen Schenkel aus voneinander elektrisch isolierten, im Betrieb auf verschiedenen Spannungen liegenden magnetischen Elementen bestehen und Spuleneinheiten tragen, die eine Hochspannungswicklung bilden, wobei benachbarte Spuleneinheiten jeweils durch Gleichrichter verbunden sind.The present invention relates to a device for generating a high DC voltage with a magnetic core whose legs are separated from each other electrically isolated magnetic ones that are at different voltages during operation Consist of elements and carry coil units that form a high-voltage winding, adjacent coil units are each connected by rectifiers.

Es sind Hochspannungstransformatoren bekannt, bei denen die Schenkel des Magnetkernes in eine Anzahl voneinander elektrisch isolierter und im Betrieb auf verschiedenen Spannungen liegender magnetischer Elemente unterteilt sind. Die magnetischen Elemente können z. B. aus sich überlappenden Magnetblechen bestehen und zur Potentialsteuerung mit Spuleneinheiten elektrisch verbunden sein, die eine Hochspannungswicklung bilden und längs des Kernschenkels verteilt sind (schweizerische Patentschrift 300 693), Es ist ferner ein Transformator bekannt, der zwei Kernjoche aufweist, welche eine Primärwicklung bzw. Sekundärwicklung tragen und an ihren Enden durch zwei Schenkel magnetisch verbunden sind, welche durch eine Anzahl dünner Teilfugen in elektrisch voneinander isolierte Teile getrennt sind (deutsche Patentschrift 439 973). High-voltage transformers are known in which the legs of the magnetic core are divided into a number of magnetic elements which are electrically isolated from one another and which are at different voltages during operation. The magnetic elements can, for. B. consist of overlapping magnetic sheets and be electrically connected to potential control with coil units that form a high-voltage winding and are distributed along the core leg (Swiss patent 300 693). Wear secondary winding and are magnetically connected at their ends by two legs, which are separated into electrically isolated parts by a number of thin parting joints (German patent specification 439 973).

Zur Erzeu,-unLi von Gleichspannungen geringer Welligkeit ist es bekannt, Mehrphasen-Gleichrichterschaltungen zu verwenden (Marti/Wiiiograd/ Grainisch: »Stromrichter«, München und Berlin, 1933). It is known to use polyphase rectifier circuits to generate DC voltages with low ripple levels (Marti / Wiiiograd / Grainisch: "Stromrichter", Munich and Berlin, 1933).

Es ist schließlich aus der schweizerischen Patentschrift 295 818 ein mit einer rnehrstufigen elektrischen Entladungsröhre zusammengebauter mehrstufiger Hochspannungserzeuger bekannt, der einen Magnetkern nach Art eines soaenannten Mantelkernes ent-C hält. Der Mittelschenkel des Magnetkernes ist durch relativ breite Luftspalte in voneinander elektrisch isolierte, im Betrieb auf verschiedenen Spannungen liegende magnetische Elemente unterteilt, welche Spuleneinheiten tragen, die eine Hochspannungswicklung bilden. Aufeinanderfolgende Spuleneinheiten sind dabei jeweils durch einen Gleichrichter in Reihe geschaltet. Am einen Ende des unterteilten Mittelschenkels ist eine Primärwicklung angeordnet.Finally, from Swiss Patent 295 818, a multi-stage high-voltage generator assembled with a multi-stage electrical discharge tube is known which holds a magnetic core in the manner of a so-called jacket core. The middle limb of the magnetic core is divided by relatively wide air gaps into magnetic elements that are electrically insulated from one another and that have different voltages during operation and that carry coil units that form a high-voltage winding. Successive coil units are each connected in series by a rectifier. A primary winding is arranged at one end of the divided center leg.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem obenerwähnten bekannten Hochspannungserzeuger, die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Erzeugen einer hohen Gleichspannung anzugeben, die hinsichtlich der Spulenisolation weniger kritisch ist als die bekannten Einrichtungen und sehr hohe Gleichspannungen mit hoher Leistung und kleiner Welligkeit zu erzeugen gestattet, wie sie beispielsweise für Teilchenbeschleuniger benötigt werden.The present invention is based on the above known high voltage generator, the task of a device for generating a high DC voltage, which is less in terms of coil insulation is more critical than the known facilities and using very high DC voltages to generate high power and small ripple, such as are needed for particle accelerators.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer b Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die die Hochspannungswicklung bildenden Spuleneinheiten bei mehrphasig ausgeführter Gleichrichterschaltuna derart auf die Schenkel eines dreischenkligen Kernes verteilt sind, daß sich x Windungen auf einem ersten Kernschenkel und y Windungen auf mindestens einem anderen Kernschenkel befinden.According to the invention, this object is achieved in a b device of the type mentioned in that the coil units forming the high-voltage winding are distributed over the legs of a three-legged core in a multi-phase rectifier circuit in such a way that x turns on a first core leg and y turns on at least another core leg.

Dadurch, daß die durch einen Gleichrichter in Reihe geschalteten, aufeinanderfolgenden Spuleneinheiten auf verschiedenen Kernschenkeln angeordnet sind, werden die Anforderungen an die Spulenisolation stark herab-esetzt. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Because the series connected by a rectifier, successive coil units arranged on different core legs are, the requirements for the coil insulation are greatly reduced. Advanced training and embodiments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Dreiphasen-Transformators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, F i g. 2 einen Horizontalschnitt in einer Ebene 19-19 der F i g. 1, F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Magnetelement- und Spuleneinheit für eine Einrichtung gemäß der Erfindung und F i g. 4 bis 8 andere Möglichkeiten der Unterteilung der Kernschenkel in elektrisch getrennte magnetische Elemente.The invention is explained in more detail with reference to the drawing. It shows F i g. 1 shows a simplified side view of a three-phase transformer according to an exemplary embodiment of the invention, FIG. 2 shows a horizontal section in a plane 19-19 of FIG . 1, Fig. 3 shows an embodiment of a magnetic element and coil unit for a device according to the invention and FIG . 4 to 8 other ways of dividing the core legs into electrically separate magnetic elements.

Der in den F i g. 1 und 2 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Transformator enthält einen Magnetkern mit einem dreieckigen Grundkörper 51, drei senkrechten, säulenförmigen Schenkeln 52, die durch isolierende Zwischenräume 53 in elektrisch getrennte magnetische Elemente 54 unterteilt sind, und ein dreieckiges Kopfstück 55. Die Stege des Grundkörpers 51 tragen Primärspulen 56, denen in üblicher Weise eine dreiphasige Wechselspannung zugeführt ist Zur Erregung des Magnetkernes kann an Stelle der Primärspulen auch ein umlaufender Anker verwendet werden, wie es z. B. in der französischen Patentschrift 588 417 beschrieben ist.The in the F i g. Transformer shown as an exemplary embodiment of the invention 1 and 2 comprises a magnetic core with a triangular base body 51, three vertical, column-shaped legs 52, which are divided by insulating gaps 53 in electrically separate magnetic elements 54, and a triangular head portion 55. The ridges of the base body 51 carry primary coils 56 to which a three-phase alternating voltage is supplied in the usual way. B. in the French patent 588 417 is described.

Der Transformator gemäß F i g. 1 und 2 kann für jeden Schenkel 52 eine Sekundärwicklung S, enthalten. Um eine Ausgangsgleichspannung sehr geringer Restwelligkeit zu erzeugen, bestehen die Sekundärwicklungen jedoch vorzugsweise aus einer Reihe von n Kreisen, von denen z. B. jeder x Windungen, die mit einem gegebenen Schenkel gekoppelt sind, sowie y Windungen, die mit einem anderen Scherkel gekoppelt sind, aufweist. Die Phase jedes Kreises hängt dann von dem Verhältnis x/v ab, und die Ausgangsspannung jedes Kreises ist eine Funktion von x+y. Im allgemeinen werden sich x und y von Kreis zu Kreis ändern.The transformer according to FIG. 1 and 2 can contain a secondary winding S 1 for each leg 52. In order to generate a DC output voltage with very little residual ripple, the secondary windings preferably consist of a series of n circles, of which z. B. each having x turns coupled to a given leg and y turns coupled to another shank. The phase of each circle then depends on the ratio x / v, and the output voltage of each circle is a function of x + y. In general, x and y will change from circle to circle.

Eine größere Anpassungsfähigkeit erhält man, wenn die Windungen einiger Kreise nur mit einem C C Teil der Schenkel gekoppelt ist. Eine solche Anordnung ist hier leicht möglich, da der Potentialgrad zwischen einem bestimmten Teil der Sekundärwicklung und dem benachbarten magnetischen Element jederzeit so klein gemacht werden kann, daß er das Isolationsvermögen der Wicklungsisolierung nicht übersteigt.A greater adaptability is obtained if the turns of some circles are only coupled to a CC part of the legs. Such an arrangement is easily possible here, since the degree of potential between a certain part of the secondary winding and the adjacent magnetic element can be made so small at any time that it does not exceed the insulation capacity of the winding insulation.

Bei dem in F i 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kreiss"l, a/D-rnal mit dem Gesamtfluß eines Schenkels plus b!D-mal mit dem Gesamtfluß eines anderen Schenkels verkettet. Der KreisS,.,1, ist nur durch eine Windung symbolisiert, selbstverständlich würden in der Praxis x Windungen um den einen Schenkel und y Windungen um den anderen Schenkel vorhanden sein. Die Ausgangsspannung und Phase jedes Kreises läßt sich dementsprechend sowohl durch Wahl von x und y als auch von a und b einstellen.In the embodiment shown in FIG. 2, the circle "1, a / D-rnal is linked with the total flow of one leg plus b! D times with the total flow of another leg. The circle S,., 1, is only through one turn symbolizes would, of course, in practice, x be present around the other leg turns around the one leg and y coils. the output voltage and phase of each circuit can be accordingly both by the choice of x and y as well as a and b set.

Im allgemeinen bestehen die n Kreise aus m in Reihe geschalteten Gruppen, von denen jede nlin parallelgeschaltete Kreise enthält, wobei in ein Drittel der Gesamtzahl der macnetischen Elemente 54 ist, Die Veränderlichen x, v, a und b lassen sich für jeden Kreis so wählen, daß alle Kreise etwa dieselbe Ausgangsspannung aufweisen, und die Phasenbeziehunlen C, C C lassen sich so wählen, daß n verschiedene Phasen vorliegen. Die Phasenzahl n kann in der Größenordnung von mehreren Hundert liegen, so daß sich eine sehr weitgehend geglättete Ausgangsgleichspannung ergibt.In general, the n circles consist of m groups connected in series, each of which contains n lines connected in parallel, one third of the total number of macnetic elements being 54.The variables x, v, a and b can be chosen for each circle in such a way that that all circles have approximately the same output voltage, and the phase relationships C, CC can be selected so that n different phases are present. The number of phases n can be in the order of magnitude of several hundred, so that a very largely smooth output DC voltage results.

Die Gleichrichtun- erfolat bei der vorliegenden Einrichtung, durch Gleichrichter, die zwischen die einzelnen, den magnetischen Elementen zugeordneten Spuleneinheiten geschaltet sind. Wie F i g. 3 zeigt, , etkörper kann jede Spuleneinheit einen dünnen Mam 38 enthalten, dessen Umfang von einem toroidförmigen leitenden Gehäuse39 umgeben ist. Zumindest eine Oberfläche des Magnetkörpers ist metallisiert, um den Einfluß von Unregelmäßigkeiten in der Schichtung des Kernmaterials auf die Potentialverteilung auszugleichen. Auf die andere Seite ist eine dünne Isolierschicht 40 aufgebracht, deren beide Seiten metallisiert sind, während der Außenrand isolierend belassen wird. Die -anze Einheit ist vorzugsweise kreisförmig und kann z. B. die Abmessung einer 30-cm-Langspielplatte haben. Elektrisch gesehen, weist die Einheit zwei durch die Isolierschicht 40 oetrennte Äquipotentialflächen auf, von denen die eine durch eine Metallschicht 41 und die andere durch den Magnetkörper 38, das leitende Gehäuse 39 und eine weitere Metallschicht 42 gebildet wird.The rectification failure in the present device is through rectifiers which are connected between the individual coil units assigned to the magnetic elements. Like F i g. 3 shows, etkörper each coil unit can contain a thin Mam 38 whose periphery is surrounded by a toroidal conductive Gehäuse39. At least one surface of the magnetic body is metallized in order to compensate for the influence of irregularities in the layering of the core material on the potential distribution. A thin insulating layer 40 is applied to the other side, both sides of which are metallized, while the outer edge is left insulating. The -anze unit is preferably circular and can e.g. B. have the dimensions of a 30 cm long-playing record. From an electrical point of view, the unit has two equipotential surfaces separated by the insulating layer 40, one of which is formed by a metal layer 41 and the other by the magnetic body 38, the conductive housing 39 and a further metal layer 42.

Innerhalb des toroidförmigen Gehäuses 39 ist eine Spule 43 angeordnet, die an der radial inneren Oberfläche beginnt und mit dieser verbunden ist. Die Windungen der Spule 43 verlaufen dann spiralförminach außen, und das äußere Ende der Spule ist durch eine Isolierbuchse 44 aus dem Gehäuse 39 herausgeführt. Mit Ausnahme des Anschlusses am inneren Ende ist die Spule überall geggen das Gehäuse 39 isoliert, als Isolation genügt im allgemeinen die Drahtisolation. Das Gehäuse kann jedoch auch zusätzliches Isoliermaterial 45 enthalten und besteht vorzugsweise aus Kupferblech, dessen Dicke so gewählt ist, daß nicht nur die Spule 43 abgeschirmt, sondern auch die im Betrieb entstehende Wärme zum Umfana der Einheit hin abgeleitet wird, wo entsprechende, nicht dargestellte Kühlrippen angeordnet sein können.Inside the toroidal housing 39 is a coil 43 which begins at the radially inner surface and is connected to this. The turns of the coil 43 then spiral outwards, and the outer end of the coil is led out of the housing 39 through an insulating bushing 44. With the exception of the connection at the inner end, the coil is insulated against the housing 39 everywhere; the wire insulation is generally sufficient as insulation. The housing can, however, also contain additional insulating material 45 and is preferably made of copper sheet, the thickness of which is selected so that not only the coil 43 is shielded, but also the heat generated during operation is dissipated to the outside of the unit, where corresponding cooling fins (not shown) can be arranged.

Die Metallschiebt 41 ist mit dem herausgef ührten Ende der Spule 43 über einen Gleichrichter 46 verbunden. Die Einheiten können daher durch einfaches Aufeinanderstapeln und Zusammenpressen miteinander verbunden werden. Eine Einheit kann etwa 1 oder 2 mm dick sein und eine Ausgangsgleichspannung von etwa 1 kV liefern, so daß ein Stapel von ungefähr 30 cm Höhe eine Ausgangsspannung von 1 Million Volt liefert.The metal slide 41 is connected to the led-out end of the coil 43 via a rectifier 46. The units can therefore be connected to one another by simply stacking them on top of one another and pressing them together. A unit can be about 1 or 2 mm thick and provide a DC output voltage of about 1 kV so that a stack about 30 cm high provides an output voltage of 1 million volts.

In den F i 4 bis 8 sind noch andere Möclichkeiten der Unterteilun- der Kernschenkel in elektrisch getrennte magnetische Elemente dargestellt. Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform enthält der isolierende Zwischenraum zwischen zwei magnetischen Elementen einen einzigen festen Isolator 20. Der Isolator ist außen verdickt, um die Feldstärkegradienten dort klein zu halten, sein Außenumfang ist gewellt, um die Kriechstromstrecke zu vergrößerrl.In FIGS. 4 to 8 , other possibilities for subdividing the core limbs into electrically separate magnetic elements are shown. In the case of the FIG. 4, the insulating space between two magnetic elements contains a single solid insulator 20. The insulator is thickened on the outside in order to keep the field strength gradients there small, and its outer circumference is corrugated in order to enlarge the leakage current path.

F i 5 zeio, eine ähnliche Anordnung wie F i g. 4, nur ist der Isolator in mehrere Kunststoffschichten unterteilt, deren Oberflächen mit sehr dünnen auferedampften Metallschichten 22 versehen sind. Die Dicke der Metallschichten beträgt weniger als 1 0/n der Gesamtdicke des isolierenden Zwischenraumes, so daß sie vernachlässi-t werden können. Der Isolator C kann aus Polväthylen oder Polvester bestehen und im Vakuum impräaniert sein, um eine maximale Durchschlagsfestigkeit zu erreichen. Der unterteilte Isolator gemäß F i g. 5 hat bei gleichen Abmessungen ein höheres Isolationsvermögen als der einstückige Isolator gemäß F i g. 4.F i 5 zeio, an arrangement similar to F i g. 4, only the insulator is subdivided into several plastic layers, the surfaces of which are provided with very thin metal layers 22 deposited by vapor deposition. The thickness of the metal layers is less than 10 / n of the total thickness of the insulating gap, so that they can be neglected. The insulator C can consist of Polväthylen or Polvester and be impregnated in a vacuum in order to achieve maximum dielectric strength. The divided insulator according to FIG. 5 has a higher insulation capacity than the one-piece insulator according to FIG . 5 with the same dimensions. 4th

In manchen Fällen bietet eine gasförmige Isolation gewisse Vorteile gegenüber einer festen Isolation, insbesondere daß sich eine gasförmige Isolation bei elektrischen Durchschlägen wieder regeneriert, während ein fester Isolator gewöhnlich für dauernd beschädigt wird.In some cases, gaseous insulation offers certain advantages compared to solid insulation, in particular that there is gaseous insulation regenerated in the event of electrical breakdowns, while a solid insulator usually does for permanent damage.

In den F i g. 6 bis 8 sind Beispiele für die Unterteilung der Kernschenkel durch eine gasförmige Isolation dargestellt. Bei der in F i g. 6 dargestellten Anordnung sind die Trennfugen 27 zwischen den magnetischen Elementen 28 gewellt, um einen geringen magnetischen Widerstand zu erreichen. An den stark gekrümmten Stellen der magnetischen Elemente 28 ist ihr Zwischenraum, wie bei 26 gezeigt ist, etwas 2rößer als an den geradlinigen Teilen, um die Durchschlagsfestigkeit im Bereich höherer Feldstärkegradienten zu vergrößern.In the F i g. 6 to 8 are examples of the subdivision of the core legs by means of a gaseous insulation. In the case of the FIG. 6 , the parting lines 27 between the magnetic elements 28 are corrugated in order to achieve a low magnetic resistance. At the strongly curved points of the magnetic elements 28 , their interspace, as shown at 26 , is somewhat larger than at the rectilinear parts, in order to increase the dielectric strength in the region of higher field strength gradients.

Bei der in F i g. 7 dargestellten Ausf ührungsform bestehen die Magnetelemente aus mehreren versetzt angeordneten Reihen magnetischer Stangen 29. In the case of the FIG. In the embodiment shown in FIG. 7, the magnetic elements consist of several rows of magnetic rods 29 arranged in an offset manner.

Bei dem in F i g. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Magneteleinente sanduhrförmig, so daß die Querschnittsfläche der Magnetelemente 23 im Bereich des isolierenden Zwischenraumes 25 etwa das 5fache der Fläche der Spulen 24 beträgt. In the case of the FIG. 8 , the magnetic elements are hourglass-shaped, so that the cross-sectional area of the magnetic elements 23 in the area of the insulating intermediate space 25 is approximately five times the area of the coils 24 .

Die in den F i g. 5, 6 und 8 dargestellten Maßnahmen lassen sich kombinieren, wobei man dann eine-Verringerung des magnetischen Widerstandes um etwa den Faktor 30 gegenüber einer ebenen Trennfuge erreichen kann.The in the F i g. The measures shown in FIGS. 5, 6 and 8 can be combined, in which case the magnetic resistance can then be reduced by a factor of about 30 compared to a planar parting line.

Zwischen den Kernschenkeln der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Einrichtung kann ein parallel zu diesen verlaufendes Beschleunigungsrohr angeordnet sein. Man erreicht hierdurch eine besonders raumsparende und kompakte Anordnung.Between the core legs of the FIG . 1 and 2, an acceleration tube running parallel to these can be arranged. A particularly space-saving and compact arrangement is achieved in this way.

Claims

Claims. 1. A device for generating a high DC voltage with a magnetic core, the legs of which consist of magnetic elements that are electrically isolated from one another, are at different voltages during operation and that carry coil units which form a high-voltage winding, adjacent coil units being connected by rectifiers, characterized in that the coil units (24, 43) forming the high-voltage winding, in the case of a multi-phase rectifier circuit , are distributed over the legs (52) of a three-leg core such that there are x turns on a first core leg and y turns on at least one other core leg.

2. Device according to claim 1, characterized in that the high-voltage winding consists of several (n) circles with different ratios x.iy. 3. Einrichtuno, according to claim 2, characterized in that the circles consist of ni series-connected groups of turns, each of which contains nIm parallel-connected circuits, ni being equal to one third of the total number of coil units. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an acceleration tube running parallel to these is arranged between the core legs. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the opposite ends of the magnetic elements forming the core limbs and separated by a gaseous insulation are enlarged in the radial direction (Fig. 8). 6. Device according to claim 5, characterized in that a coil (24) is wound between the ends enlarged in the radial direction, which coil forms part of the high-voltage winding. 7. Device according to one of claims 1 to 4, in which the opposite ends of the elements forming the columnar part of the magnetic core have interlocked ribs and depressions, characterized in that the rounded tips of the ribs from the correspondingly shaped opposite regions of the depressions one have a greater distance (at 26) than the essentially straight flanks of the ribs from the flanks of the depressions ( FIG. 6). 8. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the magnetic elements forming the limbs are insulated from one another by a number of superposed plastic films (21) metallized on at least one surface (Fig . 5). 9. Einrichtun- according to one of claims 1 to 4 or 8, characterized in that the axial dimensions of the spaces filled with a solid insulator (20, 21) between the magnetic elements forming the core legs increase on the circumference of the core legs and that the Insulation (20, 21) is correspondingly thickened there ( FIG. 4, 5). 10. Device according to claim 9, characterized in that the circumference of the thickened part of the insulator is corrugated.