DE3319998C2 - Wechselstromerzeuger zum schnell aufeinanderfolgenden Pulsen eines elektromagnetischen Abschußgerätes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Abschußgeräte für Geschosse (sogenannte Launcher), und insbesondere auf eine Einheit zur Leistungsversorgung solcher elektromagnetischer Abschußgeräte, bei der der durch ein Geschoß-Abschußschienenpaar fließende Strom abgeschaltet wird, um eine Lichtbogenbildung an der Abschuß­ mündung zu vermeiden.

Bekannte elektromagnetische Abschußgeräte weisen auf: zwei insgesamt parallellaufende, elektrisch leitende Abschußschienen für Geschosse, eine Hochstromquelle, eine Einrichtung zum Umschalten des Stroms von der Hochstromquelle auf die Geschoß-Abschuß­ schienen. Der Stromfluß durch die Schienen und einen Läufer übt eine elektromagnetische Kraft auf den Läufer aus, die zum Antreiben des Läufers und eines Geschosses über die Schienen benutzt wird. Es sind elektromagnetische Abschußgeräte mit einer Hochstromquelle entwickelt worden, die aus einer Reihenschaltung eines Gleichstrom- Unipolargenerators und einer Energiespeicherspule bestanden. Um ein Geschoß abzuschießen, wird zunächst die Spule bis auf einen vorbe­ stimmten Strompegel über einen Schalter geladen, der als Kurzschluß über die Geschoß-Abschußschienen wirkt. Dann wird der Schalter geöffnet, damit die Spule sich über die Schienen und den Läufer entladen kann, wodurch das Geschoß abgeschossen wird. Diese Abschußgeräte erfordern sehr leistungsfähige Schaltsysteme und weitere Schaltungen zur Unterdrückung eines Lichtbogens, der entsteht, wenn das Geschoß die Abschußschienen verläßt. Wenn eine Folge von Schüssen abgegeben werden soll, sind außerordentlich große Stromabschaltvorrichtungen an der Abschußmündung erforderlich.

Eine derartige abschaltbare Einheit zur Leistungsversorgung elektro­ magnetischer Abschußgeräte, bei der eine Lichtbogenbildung an der Abschußmündung vermieden wird, ist z. B. aus US-PS 4 319 168 bekannt. Bei der dort geschilderten Leistungseinheit werden Leistungsschalter verwendet, um einen durch ein Geschoß-Abschuß­ schienenpaar fließenden Gleichstrom zu unterbrechen, wenn sich das Geschoß der Abschußmündung, d. h. dem Ende des Geschoß-Abschuß­ schienenpaars nähert. Die dabei verwendeten Leistungsschalter sind aber nicht in der Lage, eine Stromunterbrechung bei einer bestimmten Phasenlage zu bewirken, so daß sich unkontrollierte Phasenlagen beim Abschalten des Stromflusses ergeben, welche sich auf die erzeugten Gegeninduktionsspannungen und damit letztendlich auch auf die Beschleunigungen der abzufeuernden Geschosse auswirken, was insbe­ sondere dann nachteilig ist, wenn möglichst große Reproduzierbarkeit in aufeinanderfolgenden Schüssen erzielt werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Einheit zur Leistungsver­ sorgung elektromagnetischer Abschußgeräte zu schaffen, mit dem das Entstehen von Lichtbögen vermieden wird, und gleichzeitig eine möglichst große Reproduzierbarkeit in aufeinanderfolgenden Schüssen erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Einheit zur Leistungsversorgung elektromagnetischer Abschußgeräte nach Anspruch 1 gelöst, welche einen Wechselstromgenerator umfaßt.

Bei einer solchen erfindungsgemäßen Einheit zur Leistungsversorgung elektromagnetischer Abschußgeräte wird die Mündungsgeschwin­ digkeit des Geschosses durch Steuern des Phasenwinkels, bei dem der Strom von dem Wechselstromgenerator auf die zwei Geschoß-Abschuß­ schienen geschaltet wird, beeinflußt.

Der Anspruch 2 betrifft vorteilhafte Ausgestaltungen der zum Abschalten des Stroms verwendeten Schalter.

Die Ansprüche 3 bis 5 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des in der erfindungsgemäßen Einheit zur Leistungsversorgung elektro­ magnetischer Abschußgeräte verwendeten Wechselstromgenerators. Die in den Ansprüchen 3 bis 5 genannten kennzeichnenden Merkmale eines solchen Wechselstromgenerators sind zwar in ähnlicher Weise durch die US-PS 3 944 865 bekannt. Die US-PS 3 944 865 offenbart jedoch weder, wie derartige Wechselstromgeneratoren vorteilhaft zur Lösung der oben genannten Aufgabe der Vermeidung von Lichtbögen und einer gleichzeitig möglichst großen Reproduzierbarkeit von Geschoßgeschwindigkeiten bei elektromagnetischen Abschußgeräten einsetzbar sein könnten, noch legt sie die dort geschilderten baulichen Maßnahmen an Wechselstromgeneratoren zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe nahe.

Wie bereits erwähnt, verwendet die erfindungsgemäße Einheit zur Leistungsversorgung elektromagnetischer Abschußgeräte einen Wechselstromgenerator zur Erzeugung des Stroms, welcher durch den Läufer und das Abschußschienenpaar fließt.

Ein Wechselstromgenerator ist eine günstige Wechselstromquelle zum Auslösen von elektromagnetischen Abschußgeräten, weil ein Wechsel­ stromgenerator selbstlöschend ist. Durch passendes zeitliches Steuern des durch die Schienen des Abschußgeräts fließenden Stroms kann der Generator die erforderliche elektromotorische Kraft so zuführen, daß der Strom den Wert Null erreicht, wenn das Geschoß die Abschuß­ rampe verläßt, wodurch die erforderliche Funkenlöschschaltung erheblich kleiner gehalten werden kann und das Schaltsystem sich vereinfachen läßt. Stromimpulse zum Abschießen von Geschossen können je nach der verlangten Impulsrate mit jeder Periode oder nach jeweils mehreren Perioden zugeführt werden.

Insgesamt stellt die Erfindung ein elektromagnetisches Geschoß- Abschußgerät dar, das elektrisch leitende Geschoß-Abschußschienen und eine Schaltung zum Hindurchleiten eines Stroms durch die genannten Schienen aufweist; dieses Abschußgerät ist gekennzeichnet durch einen Stromsteuerkreis zum Steuern des Stroms in den Schienen während des Abschußvorgangs mit einer Schaltung für den Abfall des Stroms auf eine zur Lichtbogenunterdrückung geeignete Höhe in dem Augenblick, in dem das Geschoß die Schienen verläßt.

Ein Wechselstromgenerator zur Verwendung in einem elektromagneti­ schen Geschoß-Abschußsystem nach der Erfindung umfaßt: einen Statoraufbau mit einer insgesamt zylindrischen Öffnung, mindestens zwei konzentrische Einschichtspulen am Umfang der zylindrischen Öffnung in elektrischer Parallelschaltung, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes innerhalb der zylindrischen Öffnung, wodurch eine Spannung in den beiden Spulen erzeugt wird. Die Spulen sind am Umfang der zylindrischen Öffnung in solchem Abstand angeordnet, daß auf die induzierte Spannung zurückzufüh­ rende Wirbelströme vermieden werden. Um eine optimale Anpassung des Wechselstromgenerators an eine Belastung bei einem elektro­ magnetischen Abschußgerät mit parallel gerichteten Schienen zu erreichen, enthält die Statorwicklung eine Mehrzahl von Paaren konzentrischer Einschichtspulen mit so vielen Parallelschaltungen wie möglich. Reaktionsdrehmomente werden auf einen Kleinstwert während des Abschusses vom Abschußgerät gebracht, indem zwei gegenläufig umlaufende Rotoren benutzt werden, die jeweils ein magnetisches Drehfeld erzeugen, um eine Spannung in getrennten Statorwicklungen in einem einzigen Statoraufbau zu induzieren. Die getrennten Statorwicklungen werden parallelgeschaltet, so daß die gegenläufig umlaufenden Rotoren synchron laufen müssen und Wirbel­ ströme in den Statorwicklungen vermieden werden.

Ein erfindungsgemäß aufgebautes elektromagnetisches Abschußgerät für Geschosse arbeitet mit dem angegebenen Wechselstromgenerator und weist außerdem auf: zwei elektrisch leitende Geschoß-Abschuß­ schienen, eine Einrichtung zum Leiten von Strom zwischen den Schienen und zum Vorwärtstreiben eines Geschosses längs der Schienen, und eine Einrichtung zum Schalten des Stroms von dem Wechselstromgenerator auf die Geschoß-Abschußschienen, wobei der Strom unter einem vorbestimmten Phasenwinkel umgeschaltet wird, derart, daß der Strom den Wert Null erreicht hat, wenn das Geschoß die Geschoß-Abschußschienen verläßt.

Die Arbeitsweise dieses elektromagnetischen Abschußgeräts entspricht der üblichen Methode der elektromagnetischen Beschleunigung von Geschossen und besteht aus folgenden Schritten: Umschalten des Stroms von einer Wechselstromquelle auf ein Paar Geschoß-Abschuß­ schienen und Überleiten von Strom zwischen den Schienen über einen leitfähigen Schleifläufer, der einer elektromagnetischen Kraft ausge­ setzt ist und ein Geschoß über die Schienen vorwärtstreibt, wobei das Umschalten bei einem vorbestimmten Phasenwinkel derart vorge­ nommen wird, daß der Strom den Wert Null erreicht, wenn das Geschoß die Schienen des Abschußgeräts verläßt. Wenn eine Schuß­ serie abgegeben werden soll, wird der Phasenwinkel, bei dem der Strom umgeschaltet wird, für nachfolgende Geschosse in der Weise variiert, daß alle Geschosse trotz einer Abnahme des verfügbaren Quellenstroms praktisch gleiche Mündungsgeschwindigkeit erreichen, während der Strom in den Schienen seinen Kleinstwert erreicht, wenn jeweils ein Geschoß die Schienen verläßt.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines elektromagneti­ schen Abschußgeräts in einem Aufbau nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen bei dem Abschußgerät nach Fig. 1 einzusetzenden Wechselstromgenerator nach einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 3 ist ein Teilschaltplan einer abgewickelten Zylinderfläche des Stators des Wechselstromgenerators nach Fig. 2;

Fig. 4 stellt im Querschnitt eine Polteilung des Wechselstromge­ nerators nach Fig. 2 dar;

Fig. 5 ist eine Wellenform, die den Stromfluß in den Geschoß- Abschußschienen des Abschußgeräts nach Fig. 1 während des Abschusses von aufeinanderfolgenden Geschossen darstellt.

Fig. 1 ist eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäß aufgebauten elektromagnetischen Abschußgeräts. Der Wechselstromgenerator 10 steht über einen Schalter 12 mit zwei elektrisch leitenden Geschoß- Abschußschienen 14 und 16 in Verbindung. Ein elektrisch leitender Schleifläufer 18 liegt zwischen den Geschoß-Abschußschienen 14 und 16 und dient als stromleitendes Element zwischen den Schienen und zum Vorwärtstreiben des Geschosses über die Schienen. Die Betätigung des Schalters 12 wird durch eine Steuerschaltung 22 gesteuert, die dafür sorgt, daß die Durchlässigkeit des Schalters 12 bei einem vorbestimmten Phasenwinkel einsetzt, und zwar derart, daß der Strom in den Schienen 14 und 16 auf Null abgefallen ist, wenn der Läufer 18 am Mündungsende die Schienen verläßt. In Fig. 1 ist der Schalter 12 als einzelner siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR) gezeichnet, wegen der Stärke der auftretenden Ströme kann der Schalter in der praktischen Ausführung aber aus einer Reihe von parallelgeschalteten SCR-Elementen oder aus einer geeigneten Zusammenstellung von Festkörper- und mechanischen Schaltele­ menten zusammengesetzt sein.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt den Aufbau eines für einen Abschußgerät nach Fig. 1 vorgesehenen Hochstrom-Wechselstromgenerators nach einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Stator 24 besitzt danach eine insgesamt zylindrische Öffnung 26. Elektrische Leiter 28 bis 42 in dem Stator sind in für Einphasenbetrieb geeigneter Weise zu Paaren von konzentrischen Einschichtspulen am Umfang der insgesamt zylindrischen Öffnung 26 angeordnet. Es werden zwei Statorwick­ lungen benutzt, wobei jede Statorwicklung die Parallelschaltung einer Mehrzahl von Paaren von konzentrischen Einschichtspulen darstellt. Diese beiden Statorwicklungen sind ebenfalls parallelgeschaltet. Die Rotoren 44 bzw. 46 sind längs der Mittelachse der insgesamt zylindri­ schen Öffnung 26 angebracht und tragen Feldwicklungen 48 bzw. 50.

Der Stromfluß durch diese Feldwicklungen wird auf übliche Weise hergestellt, beispielsweise mit bürstenlosen Erregern oder mit Schleifringen, die an eine nicht gezeichnete äußere Stromquelle angeschlossen sind. Um das Reaktionsdrehmoment während des Abschußvorgangs auf dem Abschußgerät möglichst niedrig zu halten, sind die Rotoren 44 und 46 so angeordnet, daß sie in einander entge­ gengesetzter Richtung umlaufen, wodurch zwei magnetische Drehfelder erzeugt werden, die in einander entgegengesetzter Richtung umlaufen und in den zugeordneten Statorwicklungen Spannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugen.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der Schaltung an einer Abwicklung der Zylinderfläche des Stators nach Fig. 2; man erkennt die elektri­ schen Verbindungen und die gegenseitige Lage der aus den Leitungen 28 bis 42 gebildeten Statorwicklungen. Um das Entstehen von Wirbel­ strömen zu vermeiden, erhalten die Leiter, die das jeweilige Paar von konzentrischen Einschicht-Statorspulen bilden, in den aktiven Bereichen X und Y gleichen Abstand. Beispielsweise ist der Abstand zwischen den Leitern 28 und 30 in dem aktiven Bereich X konstant. Diese aktiven Bereiche entsprechen der Fläche, die einem magneti­ schen Drehfeld ausgesetzt ist, das von dem durch die Wicklungen in den Rotoren 44 und 46 fließenden Strom erzeugt wird. In Fig. 3 sind zwar nur vier Paare konzentrische Einschicht-Statorspulen gezeichnet, man kann aber natürlich weitere Spulen verwenden. Auf jeden Fall werden alle diese Spulen parallelgeschaltet, um die beste Anpassung der Generatorkennwerte an die Belastung der elektromagnetischen Abschußeinrichtung zu erzielen. Durch Parallelschalten der beiden Statoren werden die Rotoren 44 und 46 zum Synchronlauf gebracht, wodurch Wirbelstromflüsse durch die Wicklungen der beiden Statoren vermieden werden. Die verschiedenen gezeichneten Statorspulen sind durch SCR Elemente 56 bis 70 an die
Stromschienen 72 und 74 angeschlossen, die den Strom in die Geschoß- Abschußschienen leiten.

Fig. 4 stellt einen Querschnitt durch eine Polteilung des Wechselstrom­ generators nach Fig. 2 dar. Die Leiter 28 und 30 bilden einen Abschnitt eines Paares konzentrischer Einschicht-Statorspulen; in dem Stator­ aufbau 24 werden sie durch Axialnuten 76 und 78 gehalten.

Eine Hilfswicklung 52 liegt in der Nut 80 des Stators 24 und ist so versetzt, daß eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber den Stator­ wicklungen entsteht, wodurch der Generator mit einer frequenzge­ stellten Zweiphasensteuerung angetrieben werden kann. Die Erreger­ wicklungen 48 liegen 15 in Nuten 82 und 84 in dem Rotor 44. Dämpfer­ wicklungen 86 sind ebenfalls in dem Rotor 44 vorgesehen, um eine stabile Arbeitsweise des Rotors 44 herbeizuführen und die effektive Reaktanz des Generators während der Impulsentladung möglichst niedrig zu halten.

Der Vorgang des elektromagnetischen Abschusses einer Folge von Geschossen mit Hilfe des Abschußgeräts nach Fig. 1 läßt sich anhand der in Fig. 5 gezeichneten Wellenform beschreiben. Die Spannung an dem Generator 10 wird in Fig. 5 durch eine gestrichelte Linie darge­ stellt, während die ausgezogene Linie die Spannung an den Geschoß- Abschußschienen 14 und 16 zeigt. Wenn nur ein Geschoß abgeschossen werden soll, wird der Schalter 12 im Zeitpunkt T1 ausgelöst; in diesem Augenblick beginnt der Strom durch die 30 Schienen 14 und 16 und den Läufer 18 zu fließen, wodurch das Geschoß 20 über die Schienen getrieben wird. Im Zeitpunkt T2 hebt der Läufer 18 von den Schienen ab, und die Spannung zwischen den Schienen ist auf den Wert Null zurückgegangen, wodurch Vorrichtungen zur Lichtbogenunter­ drückung an der Mündung entbehrlich werden. Sollen mehrere Geschosse in schneller Schußfolge abgefeuert werden, fällt die Drehzahl des Generators während der Schußfolge deutlich ab. Praktisch gleichbleibende Mündungsgeschwindigkeit kann aber während der gesamten Schußserie erzielt werden, wenn der Winkel des Impulsbeginns durch Steuern 5 des Durchlasses des Thyristors 12 variiert wird. Nach Fig. 5 kann ein zweites Geschoß abgeschossen werden, indem der Schalter 12 im Zeitpunkt T3 durchlässig gestellt wird, und ein drittes Geschoß durch Auslösen des Schalters 12 im Zeitpunkt T5. Durch Steuern des Winkels des Impulsbeginns kann die bei jedem Abschuß aufgewandte Energie trotz der absinkenden Ausgangsleistung des Generators 10 auf einem verhältnismäßig konstanten Wert gehalten werden.

Claims (6)

1. Einheit zur Leistungsversorgung für ein elektromagnetisches Abschuß­ gerät für Geschosse auf elektrisch leitenden Geschoßabschußschienen (14, 16) mit

• - einem Wechselstromgenerator (10), Schaltern (12, 56-70) und einer Schaltung (22) zur Steuerung der Schalter (12) für den Abfall des Stroms auf eine zur Lichtbogenunterdrückung geeigneten Höhe in dem Augenblick, in dem das Geschoß die Schienen (14, 16) verläßt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Schalter (12, 56-70) bei einem vorbestimmten Phasenwinkel in der Weise schaltbar sind, daß der Strom den Wert Null erreicht, wenn das Geschoß die Geschoßabschußschienen (14, 16) verläßt.

2. Einheit zur Leistungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (12, 56-70) gesteuerte Gleichrichter sind oder aus einer Mehrzahl parallelgeschalteter gesteuerter Gleichrichter bestehen.

3. Einheit zur Leistungsversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Wechselstromgenerator ein erstes Paar von konzentrischen Einschichtspulen (28; 30; 36, 38) am Umfang eines Wechselstromstators einer zylindrischen Öffnung (26) enthält,
• - daß die konzentrischen Einschichtspulen (28, 30; 36, 38) elektrisch über Schalter (56-70) parallel geschaltet sind und
• - daß eine erste Vorrichtung (48) vorhanden ist, die innerhalb der Öffnung (26) ein erstes rotierendes Magnetfeld erzeugt.

4. Einheit zur Leistungsversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein zweites Paar konzentrischer Einschichtspulen (32, 34; 40, 42) am Umfang der zylindrischen Öffnung (26) und in axialem Abstand von dem ersten Paar konzentrischer Einschichtspulen (28, 30; 36, 38) angeordnet ist, welches mit dem ersten Paar konzentrischer Einschichtspulen (28, 30; 36, 38) elektrisch zusammengeschaltet ist, und
• - daß eine zweite Vorrichtung (46) vorhanden ist, die innerhalb der Öffnung (26) ein zweites, dem ersten entgegengesetzt umlaufendes Magnetfeld erzeugt.

5. Einheit zur Leistungsversorgung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die konzentrischen Einschichtspulen (28, 30; 36, 38; 32, 34; 40, 42) an dem Umfang gleichen Abstand haben, um die auf die induzierte Spannung zurückzuführenden Wirbelströme zu vermeiden.