DE3427920C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Impulsgenerator für hohe Stromimpulse, bestehend aus einem Stator und einem darin konzentrisch gelagerten Rotor, einer Statorhauptwicklung mit zwei koaxialen sowie schraubenförmig um den Rotor gewickelten Wicklungsabschnitten, welche in Serie geschaltet sind, und aus einem Bürstenpaar, welches gleitend am Rotor anliegt (GB 12 98 935).

Unipolargeneratoren dieser Art werden erfolgreich zur Erzeugung kurzer Stromimpulse verwendet, deren Spitzenstrom über 1 Million Ampere liegen kann. Derartige Unipolargeneratoren haben in der Regel einen trommelförmigen oder scheibenförmigen zylindrischen Rotor, der in einem Stator montiert ist und sich um eine Achse dreht, die durch das Zentrum des Zylinders verläuft. Eine Stator- bzw. Feldwicklung umgibt den Rotor, ist an eine externe Stromversorgung angeschlossen und sorgt für eine Felderregung mit einem durch den Rotor verlaufenden Magnetfeld. Die angelegte Felderregung ist in der Regel begrenzt und durch ein elektromagnetisches Joch ausgerichtet, welches die Feldwicklung und den Rotor gesamt oder zumindest zu einem Teil umgibt. Wenn sich der Rotor dreht, erfahren die freien Elektronen im Rotor eine elektromotorische Kraft, die sich aus der Reaktion zwischen dem sich drehenden Rotor und der angelegten Felderregung ergibt. Mit Hilfe von Bürsten, welche im Bereich der Feldwicklung bzw. der Statorhauptwicklung oder zwischen zwei Hälften dieser Wicklung angesetzt werden, wird von dem sich drehenden Rotor ein elektrischer Strom abgegriffen, der unter dem Einfluß der elektromotorischen Kraft über Leitungen zu einer externen Last und über weitere Bürsten an einer anderen Stelle des Rotors wieder zurück zum Rotor fließt. Während der Entladung erzeigt die Wechselwirkung des Entladestroms mit der Felderregung eine Kraft, die den Rotor so lange abbremst, bis er zum Stillstand kommt und die Entladung aufhört. Es wurde festgestellt, daß extrem hohe Stromimpulse erzielbar sind, nachdem mit einem konventionellen Antrieb verhältnismäßig geringer Leistung oder einer Energiequelle, welche bei niederer Spannung einen geringen Strom liefert, der Rotor mti einer Anfangsenergie beaufschlagt und schrittweise auf die gewünschte Drehzahl gebracht wird.

Aus der GB 12 98 935 ist ein Beispiel eines Gleichstrom-Impulsgenerators bekannt. Dieser Gleichstrom-Impulsgenerator besteht aus einem Stator und einem darin konzentrisch gelagerten Rotor, einer Statorhauptwicklung mit zwei koaxial sowie schraubenförmig um den Rotor gewickelten Wicklungsabschnitten, die in Serie geschaltet sind. Weiter enthält dieser Gleichstrom-Impulsgenerator ein Bürstenpaar, welches gleitend am Rotor anliegt.

Man hat festgestellt, daß Unipolargeneratoren besonders zweckmäßig für das Starten von Projektilen mit elektromagnetischen Antriebseinheiten geeignet sind, wobei eine Hochstromquelle, bestehend aus einem Unipolargenerator und einem induktiven Energiespeicher in Serienschaltung an die Startschienen des Systems angeschlossen wird. Zwischen den Startschienen ist ein leitender Anker gleitend angeordnet, so daß - sobald der Strom von der Hochstromquelle aus an die Startschienen angelegt wird - dieser über die Schienen und über den Anker fließt, wobei eine elektromagnetische Kraft am Anker angreift und diesen entlang den Startschienen verschiebt. Derartige elektromagnetische Startsysteme wurden unter Verwendung von Kompensationswicklungen und nebenschlußerregten Unipolargeneratoren aufgebaut, die eine sehr geringe Impedanz in Serie mit einer Ringspule mit Luftkern haben, um den Strom in die parallel laufenden Startschienen einzuspeisen. Wenn ein großes Zuladegewicht, z. B. ein bemannter Flugkörper zu starten ist, ist es wünschenswert, die Beschleunigung graduell über eine Zeitdauer von mehreren Sekunden aufzubauen. Für eine solche Anwendung wird die Serienschaltung der als Ringspule ausgeführten Induktivität mit dem Unipolargenerator sehr unhandlich, bedingt durch die Größe der Induktivität zur Begrenzung des anfänglichen Stromanstiegs und der Verlängerung der Impulsdauer.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Hochstrom-Unipolar-Generator zu schaffen, bei welchem die Funktionen der Ringspule und des Unipolargenerators in einer einzigen Einheit verwirklicht sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Gleichstrom-Impulsgenerator der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Bürsten des Bürstenpaars auf gegenüberliegenden Seiten der Statorhauptwicklung angeordnet sind und mit dieser in elektrischer Verbindung stehen, und daß eine dritte Bürstenanordnung in einem Mittelbetrieb des Rotors zwischen dem Bürstenpaar angeordnet ist und eine elektrische Verbindung vom Mittelbereich zu einem externen Anschluß herstellt. Bei einem derartigen Aufbau gemäß der Erfindung wird das Feld der Ringspule dazu benutzt, um im Unipolargenerator das Feld aufzubauen. Dadurch kann die externe Stromversorgung kleiner ausgeführt werden. Durch eine geeignete Festlegung der Zeitkonstante der Serienfeldspule ist es möglich, einen verhältnismäßig langsamen Aufbau des Feldflusses und des Ankerstromes zu erzielen, womit man einen geregelten Stromaufbau erhält und ein verbessertes Verhältnis des Effektivstromes zum Spitzenstrom. Wenn ein Permanentmagnet oder eine Pilotwicklung zusätzlich vorgesehen wird, kann der anfängliche Reststrom vermehrt werden und eine weitere Verringerung, wenn nicht gar eine Eliminierung der Notwendigkeit einer externen Stromversorgung erzielt werden. Damit wird durch die Erfindung ein sich selbst erregender Gleichstrom- Impulsgenerator für hohe Stromimpulse geschaffen, der nur ein Minimum an externem Aufwand erforderlich macht. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau wird die externe Last zwischen die dritte Bürstenanordnung und einem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Wicklungsabschnitte der Statorhauptwicklung geschaltet.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Unipolargenerators gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführung eines Unipolargenerators gemäß der Erfindung.

Der Unipolargenerator gemäß Fig. 1 umfaßt einen Stator 10, der einen Rotor 16 umgibt und einen Luftspalt 12 hat, der eine innen liegende Oberfläche 14 definiert. Innerhalb des Stators ist der Rotor 16 zentrisch angeordnet und drehbar in Lagern 18 und 20 montiert. Eine Statorhauptwicklung, welche aus zwei Wicklungsabschnitten 22 und 24 besteht, ist schraubenförmig neben der innen liegenden Oberfläche 14 gewickelt und derart angeordnet, daß sie den Rotor 16 koaxial umgibt, wobei die Wicklungsabschnitte 22 und 24 elektrisch über einen Verbindungspunkt 26 in Serie geschaltet sind. Die von den Wicklungsabschnitten 22 und 24 gebildete Statorhauptwicklung ist derart gewickelt, daß der erzeugte Magnetfluß gleichgerichtet verläuft, wenn durch die Wicklung ein Strom in Richtung des Pfeiles I fließt. Ein Bürstenpaar 28 und 30, welches am Umfang des Rotors und auf diesem mit elekrischem Kontakt gleitend angeordnet ist, liegt außerhalb und an gegenüberliegenden Seiten der Statorhauptwicklung, mit welcher die Bürsten über Kompensationsleiter 32 und 34 verbunden sind. Die Kompensationsleiter laufen durch den Luftspalt 12. Eine dritte Bürstenanordnung 36 steht ebenfalls mit dem Rotor 16 in elektrisch leitender Gleitverbindung und ist im Mittelbereich des Rotors zwischen den beiden Bürsten 28 und 30 angeordnet. Eine Anschlußklemme 38 ist mit dem Verbindungspunkt 26 und eine Anschlußklemme 40 mit der Bürstenanordnung 36 verbunden. Über diese beiden Anschlußklemmen wird eine externe Last an den Unipolargenerator angeschlossen. Der Rotor 16 wird über eine Welle 42 angetrieben oder kann auch als Motor geschaltet werden. Diese Motorfunktion erhält man dadurch, daß ein Magnet 44 einen Magnetfluß 48 erzeugt, der den Rotor 16 durchsetzt. Ferner wird die Bürste 28 und die Bürstenanordnung 36 an eine externe Stromversorgung über die Anschlußklemmen 50 und 52 angeschlossen. In diesem Fall wirken die von den Wicklungsabschnitten 22 und 24 erzeugten Felder einander entgegen, da der Strom die Wicklungsabschnitte in Serie durchfließt. Der Magnet 44 kann entweder als Permanentmagnet oder aber als Elektromagnet ausgebildet sein, der von einer Spule 54 erregt wird. Es ist auch möglich, einen Elektromagneten mit einem Permanentmagneten zu kombinieren.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform für einen Unipolargenerator mit einem Rotor gezeigt, der gemäß Fig. 1 aufgebaut und sich von diesem durch die Ausbildung des Stators 56 und des Rotors 58, der eine zylindrische Form hat und nicht an den beiden Enden abgeschrägt ist, unterscheidet. Die Bürsten 28 und 30 sowie die Bürstenanordnung 26 gleiten auf dem Rotor und stehen mit diesem in elektrischer Kontaktverbindung, so daß über den Rotor und über die Serienschaltung der Wicklungsabschnitte 22 und 24 ohne Last an den Klemmen 38 und 40 kein Strom fließen kann. Diese Wicklungsabschnitte wirken wie eine Feldwicklung und sind derart gewickelt, daß sie den durch den Rotor verlaufenden Magnetfluß verstärken, wenn ein Strom durch eine externe Last fließt, die an die Klemmen 38 und 40 angeschlossen ist. Sobald der Rotor in einem Feld gedreht wird, entsteht zwischen den Bürsten eine Spannung. Der Magnet 44 ist derart angeordnet, daß ein anfänglicher Magnetfluß wirkt, der in dem Rotor eine Anfangsspannung erzeugt. Der Magnetkreis kann derart ausgebildet sein, daß er einen in der Statorhauptwicklung bzw. der Feldwicklung vorhandenen magnetischen Restfluß verstärkt, indem der magnetische Widerstand der Streufeldstrecke verringert wird. An die Anschlußklemmen 50 und 52 kann eine externe Stromversorgung angeschlossen werden, damit ein Gleichstrom über die Bürsten und den Rotor sowie die in Serie liegende Feldwicklung fließt. Bei offenen Anschlußklemmen 38 und 40 und ferner an eine externe Gleichstromquelle angeschlossenen Anschlußklemmen 50 und 52 ist es möglich, den Rotor 58 im Sinne eines Motors zu beschleunigen, indem eine Wechselwirkung zwischen dem angelegten Gleichstrom und dem Restmagnetfeld aufgrund der magnetischen Einrichtungen wirksam ist. In diesem Fall wirkt der Magnetfluß der beiden Wicklungsabschnitte 22 und 24 einander entgegen, so daß kein Nettofluß entsteht.

Die beschriebenen Unipolargeneratoren gemäß der Erfindung können in einer Weise aufgebaut sein, daß sie einen langsamen Aufbau des Feldflusses und des Ankerstromes bewirken, so daß der Stromaufbau kontrolliert ist und ein verbessertes Verhältnis zwischen dem Effektivstrom und dem Spitzenstrom entsteht. Dies wird insbesondere durch eine geeignete Festlegung der Zeitkonstante der in Serie liegenden Feldwicklungen bewirkt. Die Zeitkonstante der in Serie liegenden Feldwicklungen kann modifiziert werden, indem beabsichtigt Kurzschlußwindungen eingefügt werden, die mit dem Magnetfeld in Wechselwirkung treten und den Grad der Kopplung beeinflussen. Durch das Vorsehen eines permanenten Magneten oder einer Hilfswicklung, um den Restfluß zu verstärken, ist es möglich, den Bedarf für eine externe Leistungsversorgung zu verringern, wenn nicht gar zu eliminieren. Der Unipolargenerator nach einem solchen Aufbau ermöglicht, das verwendete Material maximal auszunützen und kann mit geringerem Gewicht aufgebaut werden, um Funktionen zu erfüllen, die gegenwärtig nur durch separate Komponenten verwirklicht werden können.

Claims (2)

1. Gleichstrom-Impulsgenerator für hohe Stromimpulse, bestehend aus einem Stator und einem darin konzentrisch gelagerten Rotor, einer Statorhauptwicklung mit zwei koaxial sowie schraubenförmig um den Rotor gewickelten Wicklungsabschnitten, die in Serie geschaltet sind, und mit einem Bürstenpaar, welches gleitend am Rotor anliegt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Bürsten des Bürstenpaars (28, 30) auf gegenüberliegenden Seiten der Statorhauptwicklung (Wicklungsabschnitte 22, 24) angeordnet sind und mit dieser in elektrischer Verbindung stehen;
• - und daß eine dritte Bürstenanordnung (36) in einem Mittelbereich des Rotors (16; 58) zwischen dem Bürstenpaar (28, 30) angeordnet ist und eine elektrische Verbindung vom Mittelbereich zu einem externen Anschluß herstellt.

2. Gleichstrom-Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsabschnitte (22, 24) derart gewickelt sind, daß ein Magnetfluß in gleicher Richtung entsteht, wenn die Wicklungsabschnitte parallel geschaltet sind.