DE4423992C2 - Elektromagnetischer Generator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse und seine Verwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Generator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1, der insbesondere für eine Anwendung in der magnetischen Umformtechnik geeignet ist.

Bei diesen Anwendungen kommt es darauf an, in dem zu beein­ flussenden Gegenstand einen hohen Strom I₂ zu induzieren, der mit dem Magnetfeld B des Stroms I₁ eine hohe Kraft P bezogen auf die Länge l der Stromleiter ergibt. Mit

worin kH und kD von der Geometrie der Leiter und der Metall­ teile abhängige Konstanten und R₂ der Widerstand des Pfades des im Metallteil induzierten Stromes sind, ist dann

Ein Kennwert für die durch einen Impuls erzeugte Kraft ist also

Es ist bekannt, hohe Stromimpulse mit der Entladung von Kon­ densatoren zu erzeugen. Ihre maximale Amplitude Imax und Steilheit dI/dt sind vor allem durch die Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Hochstrom-Schalter bedingt.

Sehr hohe Werte werden mit Funkenstrecken als Schalter er­ reicht. Diese sind aber in Betriebsgeräten unerwünscht, vor allem weil sie sich abnutzen.

Als Hochstrom-Schalter stehen weiter Ignitrons und Thyristo­ ren zur Verfügung. Ignitrons haben aber einen großen Platzbe­ darf und kommen deshalb meistens nicht in Frage. Auch unter­ liegen sie einer Abnutzung bei Dauerbetrieb.

Bei Thyristoren als Hochstrom-Schalter sind wiederum die maximale Amplitude Imax und die maximale Stromsteilheit dI/dt begrenzt, so daß auch nur begrenzte Wirkungen der Impulse beim Verformen und bei den übrigen genannten Anwendungen erreicht werden können.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (DD 1 46 403), gleichzeitig mehrere Magnetfeldspulen nebeneinander anzuord­ nen, die von mehreren potentialgetrennten, gleichzeitig ge­ schalteten Kondensator-Entladungsgeräten gespeist werden. Dabei werden hohe elektrische Spannungen der Kondensatoren verwendet, um eine schnelle Entladung zu erreichen.

In die Magnetfeldspulen solcher Stoßstromgeneratoren werden die zu verformenden Teile eingelegt.

Diese bekannten Kondensator-Entladungsgeräte sind wegen der hohen Spannungen, die im Arbeitsbereich an den Magnetfeldspulen auftreten, für den Bedienenden gefährlich und erfordern teuere Isolationen der Magnetfeldspulen.

Ein elektromagnetischer Generator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zum Impulsmagnetisieren ist aus JP 1-310 516 (A) in Patent abstracts of Japan E-896, February 27, 1990, Vol. 14/Nr. 108, bekannt. Ferner ist ein Impulstransformator mit Kondensator und ungeteilter Primärspule zur Magnetisierung aus der DE-AS 10 20 737 bekannt, während eine Teilung der Primärspulen bei Stoßtransformatoren aus dem DE-Buch "Dauer­ magnettechnik" von G. Hennig, Franzis-Verlag München, 1952, Seiten 74 bis 77, insbesondere Seite 77, Bild 60, vorbekannt ist. Die dort gezeigten drei Teilspulen werden durch zwei Schalter in Reihe geschaltet und bilden zusammen eine einzige Spule. Die Anordnung der beiden Schalter zwischen den drei Teilspulen dient nur zur Verteilung der an ihnen auftretenden hohen Abschaltspannungen auf zwei Schalter, so daß deren Abnutzung geringer wird. Diese bekannte Anordnung einer ge­ teilten Primärspule bei einem Stoßtrafo mit Stoßmeßeinrichtung weist aber keine Kondensatoren und keine paarweise angeordneten Primärwicklungen auf. Auch eine solche Anordnung ist daher für eine Anwendung in der magnetischen Umformtechnik nicht geeignet.

Eine solche Anordnung mit ein- oder mehrteilig ausgebildeten Magnetfeldkonzentratoren ist auch aus der US-PS 3 124 726 bekannt. Darin ist aber nur ein einziger Stromkreis vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektromagnetische Generatoren der gattungsgemäßen Art leistungsfähiger und sicherer zu gestalten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Magnetfeldspulen paarweise angeordnete Primärwicklungen eines Impuls-Transformators sind und ihre Primärströme auf der Sekundär-Seite des Impuls-Transformators einen einzigen Strom-Impuls erzeugen.

In dem Impuls-Transformator werden die Impulse der einzelnen Entladekreise somit zu einem einzigen Strom-Impuls vereinigt, der ein Mehrfaches der Stromstärke und der Geschwindigkeit der Summe der einzelnen Strom-Impulse ohne Vorhandensein eines solchen Impuls-Transformators erreicht.

Der Impuls-Transformator besitzt als Sekundär-Spule erfin­ dungsgemäß ein längsgeschlitztes Rohr aus Kupfer oder aus einem anderen elektrisch gut leitenden Werkstoff, auf dem unmittelbar voneinander isolierte Magnetfeldspulen als Pri­ märwicklungen aufgebracht sind. Zum Anschluß einer äußeren nieder-ohmigen Hochstrom-Schleife sind in der Mitte des Roh­ res neben dem Längsschlitz Kontaktblöcke angeordnet, zum Beispiel angelötet oder aufgeschraubt.

Die Kopplung zwischen den Primär-Spulen und der Sekundär­ spule des Impuls-Transformators wird durch ein lamelliertes Paket aus Transformator-Blechen erhöht, das einen größeren Fluß-Hub erlaubt. Durch einen langen Strom-Impuls in negati­ ver Richtung kann der remanente Fluß Br im Eisen der Trans­ formator-Bleche umgekehrt werden, so daß ein größerer Fluß- Hub (von -Br nach Bs statt von +Br nach Bs im Fluß-Diagramm) und damit eine höhere Belastung des Transformators möglich ist.

Das Kupfer- oder Aluminiumrohr ist als Sekundär-Spule mit Strom-Ausgängen in der Mitte derart ausgebildet, daß zwei Kammern für die paarweise unterteilten Primärwicklungen be­ stehen und die Strom-Ausgänge zum Anschluß einer Hochstrom- Schleife auf der Sekundärseite dienen.

In der Hochstrom-Schleife kann ein ein- oder mehrteilig aus­ gebildeter Magnetfeldkonzentrator angeordnet sein, der vor­ teilhafterweise aus einem längsgeschlitzten Kupfer- oder Aluminiumzylinder besteht, in dem durch Skin-Effekt das Ma­ gnetfeld der Hochstrom-Schleife auf einen Raum mit kleinerem Durchmesser und/oder Länge konzentriert wird.

Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Magnetfeld­ konzentrator aus zwei durch Längsschlitze getrennten Teilen besteht, die nach Bedarf einander angenähert und voneinander entfernt werden können, so daß auch Werkstücke mit größerem Durchmesser an einem Ende für das Verformen umschlossen wer­ den können.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 7 bis 14 gekennzeichnet.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen senkrechten Schnitt durch einen elektromagnetischen Impuls-Generator mit Impuls- Transformator und einer damit verbundenen sekundär­ seitigen Hochstrom-Schleife,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines derartigen Im­ puls-Transformators mit Anschlüssen für eine Hochstromschleife,

Fig. 3 einen Impuls-Transformator mit einer angeschlosse­ nen omega-förmigen Hochstrom-Schleife und einem darin angeordneten Magnetfeldkonzentrator, wobei der Stromfluß in der Primär-Spule, im Sekundär­ stromkreis des Transformators, in der Hochstrom- Schleife und in dem Magnetfeldkonzentrator mit Pfeilen gezeigt ist,

Fig. 4 eine Darstellung der Sekundär-Spule eines derarti­ gen Impuls-Transformators mit daran angeschlossener Hochstrom-Schleife, die von einem Verstärkungs- Block zur Aufnahme der radialen mechanischen Kräfte bei den Magnetfeld-Impulsen umgeben ist,

Fig. 5 die Sekundär-Spule eines Impuls-Transformators mit einem in der Hochstrom-Schleife angeordneten läng­ lichen Magnetfeldkonzentrator mit mehreren achspar­ allel nebeneinander angeordneten Verformöffnungen,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Kupfer- oder Aluminiumrohres mit Längsschlitz als Sekundär-Spule eines derartigen Impuls-Transformators und mit einer daran angeschlossenen omega-förmigen Hoch­ strom-Schleife,

Fig. 7 eine Stirnansicht des Kupfer- oder Aluminiumrohres mit voneinander isolierten seitlichen Anschlüssen und Hochstrom-Schleife und

Fig. 8 ein Diagramm der Flußdichte im Eisenkern des Im­ puls-Transformators mit dem Fluß-Hub ΔΦ₁ ohne Fluß-Umkehr und ΔΦ₂ mit Fluß-Umkehr.

Die gezeigten elektromagnetischen Impuls-Generatoren 1 für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse können insbesondere in der magnetischen Umformtechnik verwendet werden. Sie bestehen aus mehreren Kondensatoren 2 und elektrischen Stromleitern, die als Magnetfeldspulen 3 ausgebildet und mit den Kondensa­ toren 2 in mehrere Gruppen unterteilt sind, die magnetisch in Reihe geschaltet, nicht aber elektrisch miteinander gekoppelt sind und mit dem Entladestrom der Kondensatoren 2 in einer Hochstromschleife 4 mit einem Magnetfeldkonzentrator 4.1 (Fig. 3, 5 und 7) ein zwei- oder mehrpoliges Magnetfeld er­ zeugen.

Wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, ist zwischen die als Ener­ giespeicher dienenden Gruppen von Kondensatoren 2 und die Hochstrom-Schleife 4 ein Impuls-Transformator 5 geschaltet, der auf einem geschlossenen Eisenkern 5.1 aus einem lamel­ lierten Paket von Transformator-Blechen mindestens zwei paar­ weise angeordnete Magnetfeldspulen 3 als Primärwicklungen aufweist.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist der Stromkreis auf der Primärseite des Impuls-Transformators 5 in beispielsweise vier Primär-Teilstromkreise 6 unterteilt, die einzeln mit den die Primärwicklungen des Impuls-Transformators 5 bildenden Magnetfeldspulen 3 verbunden sind. Die einzelnen Primär-Teil­ stromkreise 6 weisen Dioden 6.1 und Lade-Widerstände 6.2 auf und sind über zwei gemeinsame Potentialleitungen 6.3, 6.4 an eine Gleichrichterschaltung 6.5 zur Stromversorgung ange­ schlossen. Sie weisen somit gleiche Potentiale auf. Jeder Primär-Teilstromkreis 6 besitzt seinen eigenen Hochstrom­ schalter 7, der maximal belastet werden kann. Die Kapazität jedes Kondensators 2 ist C/4, die Spannung U. Die in Reihe geschalteten vier Kondensatoren 2 bilden eine Kapazität C/16. Sie liegen an einer Spannung 4 U, so daß jeder Hochstrom- Schalter 7 nur 1/4 der maximalen Spannung U max zu schalten hat. Dabei bleibt der maximale Strom I₁ erhalten.

Der Impuls-Transformator 5 besitzt ein elektrisch gut leiten­ des Rohr 8, zum Beispiel ein Kupfer- oder Aluminiumrohr, mit Längsschlitz 9 als Sekundär-Spule und daraufisolierte Ma­ gnetfeldspulen 3 als Primärwicklungen, die mindestens paar­ weise unterteilt sind (Fig. 6).

Das Kupfer- oder Aluminiumrohr 8 ist, wie die perspektivische Darstellung von Fig. 6 zeigt, als Sekundär-Spule mit zwei Kontaktblöcken als Strom-Ausgänge 10.1 und 10.2 in der Mitte derart ausgebildet, daß zwei Kammern 11, 12 für die paarweise unterteilten Primärwicklungen bestehen. Die Kontaktblöcke für die Strom-Ausgänge 10.1, 10.2 können beiderseits des Längs­ schlitzes 9 an das Rohr 8 angelötet oder angeschraubt sein und dienen zum Anschluß einer Hochstrom-Schleife 4 auf der Sekundärseite des Transformators 5, in der bei der Entladung der Primär-Stromkreise ein entsprechend dem Windungs-Verhält­ nis von Primär-Stromkreisen zu Sekundär-Stromkreis erhöhter Stromimpuls mit hohem

I · dI/dt

auftritt.

Der Stromverlauf in den verschiedenen Stromkreisen der pri­ märseitigen Magnetfeldspulen 3, der Sekundär-Spule und der Hochstrom-Schleife 4 sowie im Magnetfeldkonzentrator 4.1 ist in Fig. 3 gezeigt. Der Stromverlauf ist entsprechend der Lenz'schen Regel in benachbarten Stromkreisen bis zu einem zu verformenden Metallteil 20 immer gegenläufig.

Die Kopplung zwischen den Primär- und den Sekundär-Spulen oder -Wicklungen des Impuls-Transformators 5, nämlich zwi­ schen den Magnetfeldspulen 3 und dem geschlitzten Rohr 8, wird durch das lamellierte Paket von Transformator-Blechen des Eisenkerns 5.1 erhöht, das einen größeren Fluß-Hub er­ laubt, wie im Fluß-Diagramm von Fig. 8 gezeigt ist. Durch einen langen Strom-Impuls in negativer Richtung kann der remanente Fluß Br im Eisen der Transformator-Bleche umgekehrt werden, so daß ein größerer Fluß-Hub (von -Br nach Bs statt von +Br nach Bs im Fluß-Diagramm) und damit eine höhere Bela­ stung des Impuls-Transformators 5 möglich ist.

Das Diagramm der Flußdichte im Eisenkern 5.1 des Impuls- Transformators 5 von Fig. 8 zeigt einerseits den Fluß-Hub ΔΦ₁ ohne Fluß-Umkehr und andererseits den Fluß-Hub ΔΦ₂ mit Fluß-Umkehr. Bs ist die Flußdichte bei Sättigung des Ei­ senkerns 5.1, während +Br und -Br seine Remanenzen sind.

Mit dem Magnetfeldkonzentrator 4.1 in der Hochstrom-Schleife 4 kann die Flußdichte B, die auf die zu verformenden Metall­ teile 20 wirkt, weiter erhöht werden. Dieser besteht aus einem längsgeschlitzten Kupfer- oder Aluminiumzylinder, in dem durch Skin-Effekt das Magnetfeld der Magnetfeldspulen 3 auf einen Raum mit kleinerem Durchmesser und/oder Länge kon­ zentriert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist der Magnetfeldkon­ zentrator 4.1 von einem Verstärkungs-Block 16 aus Eisen oder aus einem nichtmagnetischen oder nichtmetallischen Werkstoff zur Aufnahme der radialen mechanischen Kräfte bei den Magnet­ feld-Impulsen umgeben. Bei der Ausführung aus Eisen oder einer Eisenlegierung dient der Verstärkungs-Block 16 auch als magnetischer Rückschluß.

Die Hochstrom-Schleife 4 auf der Sekundärseite des Impuls- Transformators 5 ist bei allen gezeigten Ausführungsformen omega-förmig ausgebildet und umschließt bei dem Ausführungs­ beispiel von Fig. 5 einen Magnetfeldkonzentrator 4.1 von einer länglichen ovalen Form mit drei achsparallel nebenein­ ander angeordneten Verformöffnungen 18.

Bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 3, 5 und 7 besteht der Magnetfeldkonzentrator 4.1 aus zwei durch Längsschlitze 9 getrennten Teilen 4.11 und 4.12, die nach Bedarf einander angenähert und voneinander entfernt werden können.

Jede Gruppe von Kondensatoren 2 und primärseitige Magnetfeld­ spulen 3 oder Primär-Spulen besitzt einen eigenen Hochstrom- Schalter 7. Die Hochstrom-Schalter 7, Thyristoren, Transisto­ ren oder Ignitrons, der einzelnen Gruppen werden gleichzeitig geschaltet.

Der elektromagnetische Impuls-Generator 1 kann vorteilhaft zum Verformen von elektrisch leitenden Gegenständen, wie Verschlüsse von Behältern, Verbindungsmuffen oder Fittingen an Rohren und Schläuchen, verwendet werden, ebenso aber auch zum Verschließen von Behälterdeckeln.

Liste der Bezugszeichen

1    Impuls-Generator
2    Kondensator
3    Magnetfeldspule (Primärwicklung)
4    Hochstrom-Schleife
4.1  Magnetfeldkonzentrator
4.11 Teil des Magnetfeldkonzentrators 4.1
4.12 Teil des Magnetfeldkonzentrators 4.1
5    Impuls-Transformator
5.1  Eisenkern
6    Primär-Teilstromkreise
6.1  Dioden
6.2  Lade-Widerstände
6.1  Potentialleitung
6.2  Potentialleitung
6.3  Gleichrichterschaltung
7    Hochstrom-Schalter
8    Rohr (Sekundär-Spule)
9    Längsschlitz
10.1 Strom-Ausgang
10.2 Strom-Ausgang
11   Kammer
12   Kammer
16   Verstärkungs-Block
18   Verformöffnung
20   Metallteil

Claims (14)

1. Elektromagnetischer Generator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse, mit Kondensatoren und elektrischen Stromleitern, die als Magnetfeldspulen ausgebildet und mit den Kondensatoren in mehrere Gruppen unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldspulen (3) paarweise angeordnete Primär­ wicklungen eines Impuls-Transformators (5) sind und ihre Primärströme auf der Sekundär-Seite des Impuls-Trans­ formators (5) einen einzigen Strom-Impuls erzeugen.

2. Elektromagnetischer Generator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Impuls- Transformator (5) ein elektrisch gut leitendes Rohr (8), zum Beispiel ein Kupfer- oder Aluminiumrohr, mit Längsschlitz (9) als Sekundär-Spule aufweist und darauf isolierte Magnetfeldspulen (3) als Primärwicklungen be­ sitzt.

3. Elektromagnetischer Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer- oder Aluminiumrohr (8) als Sekundär-Spule mit Strom-Ausgängen (10.1, 10.2) in der Mitte derart ausge­ bildet ist, daß zwei Kammern (11, 12) für paarweise unterteilte Primärwicklungen bestehen und die Strom- Ausgänge (10.1, 10.2) zum Anschluß einer Hochstrom- Schleife (4) auf der Sekundärseite dienen.

4. Elektromagnetischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hochstrom-Schleife (4) ein ein- oder mehr­ teilig ausgebildeter Magnetfeldkonzentrator (4.1) an­ geordnet ist.

5. Elektromagnetischer Generator nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ma­ gnetfeldkonzentrator (4.1) aus einem längsgeschlitzten Kupfer- oder Aluminiumzylinder besteht, in dem durch Skin-Effekt das Magnetfeld der Hochstrom-Schleife (4) auf einen Raum mit kleinerem Durchmesser und/oder Länge konzentriert wird.

6. Elektromagnetischer Generator nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ma­ gnetfeldkonzentrator (4.1) aus zwei durch Längsschlitze getrennten Teilen (4.11, 4.12) besteht, die nach Bedarf einander angenähert und voneinander entfernt werden können.

7. Elektromagnetischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochstrom-Schleife (4) von einem Verstärkungs- Block (16) aus Eisen oder aus einem nichtmetallischen Werkstoff zur Aufnahme der radialen mechanischen Kräfte bei den Magnetfeld-Impulsen umgeben ist.

8. Elektromagnetischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochstrom-Schleife (4) omega-förmig ausgebildet ist.

9. Elektromagnetischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochstrom-Schleife (4) länglich ausgebildet ist und einen Magnetfeldkonzentrator (4.1) umschließt, der mindestens zwei achsparallel nebeneinander angeordnete Verformöffnungen (18) aufweist.

10. Elektromagnetischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Kondensatoren (2) und primärseitigen Magnetfeldspulen (3) einen eigenen Hochstrom-Schalter (7) besitzt.

11. Elektromagnetischer Generator nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hoch­ strom-Schalter (7) der einzelnen Gruppen gleichzeitig geschaltet werden.

12. Elektromagnetischer Generator nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hoch­ strom-Schalter (7) Thyristoren, Transistoren oder Igni­ trons sind.

13. Verwendung elektromagnetischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Erzeugen von Strom- und Magnetfeld- Impulsen von hoher Steilheit dI/dt bzw. dB/dt.

14. Verwendung elektromagnetischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Verformen von elektrisch leitenden Gegenständen, wie Verschlüsse von Behältern, Verbindungsmuffen oder Fittingen an Rohren und Schläuchen.