DE19847981B4

DE19847981B4 - Impuls-Transformator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse

Info

Publication number: DE19847981B4
Application number: DE1998147981
Authority: DE
Inventors: Erich Dr. Steingroever
Original assignee: Magnet Physik Dr Steingroever GmbH
Current assignee: Magnet Physik Dr Steingroever GmbH
Priority date: 1998-10-17
Filing date: 1998-10-17
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2018-10-18
Also published as: DE19847981A1

Abstract

Impuls-Transformator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse mit einer oder mehreren auf bzw. an einem rohrförmigen längsgeschlitzten Hochstromleiter angeordneten Primärwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromleiter (2) einen mit ihm fest verbundenen Kragen (5) besitzt, der wie der Hochstromleiter (2) aus einem massiven elektrisch gut leitenden Material besteht und über den Durchmesser der Primärwicklungen (3, 4) hinausragt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Impuls-Transformator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus DE 44 23 992 C2 ist ein elektromagnetischer Generator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse bekannt, bei dem die Magnetfeldspulen paarweise angeordnete Primärwicklungen eines Impuls-Transformators sind und ihre Primärströme auf der Sekundär-Seite des Impuls-Transformators einen einzigen Strom-Impuls erzeugen. Der Impuls-Transformator besitzt als Sekundär-Spule ein längsgeschlitztes Rohr aus Kupfer oder aus einem anderen elektrisch gut leitenden Werkstoff, auf dem unmittelbar voneinander isolierte Magnetfeldspulen als Primärwicklungen aufgebracht sind. Zum Anschluß einer äußeren nieder-ohmigen Hochstrom-Schleife, die auch als Magnetfeldkonzentrator oder Feldformer bezeichnet werden kann, sind in der Mitte des Rohres 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 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 B(H)-Diagramm) und damit eine höhere Belastung des Transformators möglich ist.

Bei dem bekannten Impuls-Transformator ist die an die Kontaktblöcke in der Mitte des Rohres neben dem Längsschlitz befestigte Hochstromschleife, die als Magnetfeld-Konzentrator dient, von einem Verstärkungs-Block zur Aufnahme der hohen radialen mechanischen Kräfte bei den Magnetfeld-Impulsen umgeben.

Bei dem Einsatz solcher Impuls-Generatoren hat es sich gezeigt, daß das als Sekundär-Spule dienende längsgeschlitzte Rohr durch die für die Verformung von Metallteilen erzeugten starken Magnetfeld-Impulse sehr hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist.

Dadurch können auch Kontaktprobleme zu dem Magnetfeldkonzentrator entstehen. Außerdem kann die Kühlung des Impuls-Transformators insbesondere bei rascher Impulsfolge Schwierigkeiten bereiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Impuls-Generator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die beim Verformen von Metallteilen in dem Magnetfeldkonzentrator auftretenden hohen mechanischen Beanspruchungen und Wärmebelastungen ohne Auswirkung auf den Impuls-Transformator und insbesondere auf das als Sekundär-Spule dienende längsgeschlitzte Rohr aus Kupfer oder aus einem anderen elektrisch gut leitenden Werkstoff bleiben.

Diese Aufgabe wird bei einem Impuls-Transformator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse mit einer oder mehreren auf bzw. an einem rohrförmigen Hochstromleiter angeordneten Primärwicklungen gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hochstromleiter einen mit ihm fest verbundenen Kragen besitzt, der wie der Hochstromleiter aus einem massiven elektrisch gut leitenden Material besteht und über den Durchmesser der Primärwicklungen hinausragt.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 18 gekennzeichnet.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der Hochstromleiter durch den mit ihm fest verbundenen Kragen eine hohe Stabilität gegen die bei hohen Stromimpulsen von 500 kA oder mehr auftretenden elektromagnetischen Kräfte hat.

Außerdem bestehen auch keine Engpässe für den Hochstrom von dem Hochstromleiter zu dem Magnetfeldkonzentrator wie bei den bekannten Kontaktblöcken, und es ergibt sich auch eine einfache Herstellung solcher Impuls-Transformatoren, insbesondere wenn der Kragen plattenförmig oder blockförmig ausgebildet ist.

Der rohrförmige Hochstromleiter und der Kragen weisen in radialer Richtung des Rohrquerschnittes einen gemeinsamen Schlitz in Längsrichtung des Hochstromleiters auf. Der Kragen kann dabei mit dem rohrförmigen Hochstromleiter verlötet, verschweißt oder auf den rohrförmigen Hochstromleiter aufgeschrumpft sein. Der Kragen kann aber in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit dem rohrförmigen Hochstromleiter auch als ein Teil gefertigt sein.

Der Kragen besitzt hierbei im Bereich des Schlitzes Kontaktflächen zum Anschluß von Magnetfedelkonzentratoren, die vorzugsweise nach DE 44 36 615 A1 ausgebildet sind.

Besonders vorteilhaft ist es dabei weiterhin, wenn der Kragen mit dem rohrförmigen Hochstromleiter und dem Magnetfeldkonzentrator einteilig ausgebildet ist.

Der Magnetfeldkonzentrator kann aber auch teilbar sein und das Einlegen von Teilen mit einem größeren Durchmesser an den Enden, zum Beispiel Fittinge, erlauben.

Zweckmäßig wird der teilbare Magnetfeldkonzentrator durch hohen Druck auf seine obere Fläche geschlossen, wobei der Kragen als Widerlager dient.

Besonders gute Verformungsleistungen werden erreicht, wenn der Kragen aus einer elektrisch gut leitenden, hochfesten Legierung von Kupfer mit festigkeitserhöhenden Elementen, wie Cobalt, Nickel, Beryllium, Chrom, Zirkon und/oder anderen Legierungsbestandteilen, besteht.

Um die bei den starken Magnetfeld-Impulsen erzeugte Wärme abzuführen, kann der Kragen weiterhin mit einem System von Bohrungen zum Durchleiten von Kühlflüssigkeiten, wie Öl, Wasser oder dergleichen, versehen sein.

Durch die Ausbildung des Hochstromleiters mit dem damit fest verbundenen Kragen aus einem massiven elektrisch gut leitenden Material gemäß der Erfindung wird trotz der massiven Bauweise unerwarteterweise ein sehr gutes Übersetzungsverhältnis I₂/I₁ erreicht, wobei der Strom nur wenig, das heißt nur einige Zehntel mm, in den Kragen eindringt und eng um die Öffnung der Feldformer-Bohrung herumfließt.

Die einteilige Ausführungsform von rohrförmigem Hochstromleiter und Kragen hat gegenüber einer mechanischen Verbindung zwischen Hochstromleiter und Kragen den besonderen Vorteil, daß kein Härteverlust durch Löten oder sonstige Wärmebehandlung eintritt, und zwar weder an dem rohrförmigen Hochstromleiter noch an dem Kragen selbst. Außerdem hat die vollständig einteilige Ausführung von Kragen und Magnetfeldkonzentrator den weiteren Vorteil, daß jegliche Kontaktprobleme zwischen dem eigentlichen Impuls-Transformator und dem Magnetfeldkonzentrator vermieden werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Impuls-Transformators für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse,
2 eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform eines solchen Impuls-Transformators mit einem teilbaren Magnetfeldkonzentrator,
3 eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines derartigen Impuls-Transformators, bei dem der Kragen mit dem rohrförmigen Hochstromleiter und dem Magnetfeldkonzentrator ein völlig einteiliges Bauteil bildet,
4 eine schematische Stirnansicht eines rohrförmigen Hochstromleiters mit Längsschlitz und radial geschlitztem Kragen,
5 einen Schnitt gemäß Schnittlinie V-V von 4, wobei der rohrförmige Hochstromleiter und der Kragen aus zwei Bauteilen zusammengefügt und fest miteinander verbunden sind, und
6 ebenfalls einen Schnitt gemäß Schnittlinie V-V von 4 durch eine weiter vereinfachte Ausführungsform, bei der der rohrförmige Hochstromleiter und der Kragen eine in sich geschlossene einteilige Baueinheit bilden.
Jeder der in 1 bis 3 gezeigten Impuls-Transformatoren 1 für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse hat zwei an einem rohrförmigen Hochstromleiter 2 angeordnete Primärwicklungen 3, 4. Der Hochstromleiter 2 dient als Sekundärwicklung und besitzt zwischen den beiden Primärwicklungen 3, 4 einen mit ihm fest verbundenen Kragen 5, der wie der Hochstromleiter 2 aus einem massiven elektrisch gut leitenden Material besteht und über den Durchmesser der Primärwicklungen 3, 4 radial hinausragt. Die Primärwicklungen 3, 4 sind gegenüber dem Hochstromleiter 2 durch eine erste Isolierschicht 6 elektrisch isoliert, und im Inneren des Hochstromleiters 2 befindet sich ein Eisenkern 7 aus übereinandergeschichteten Transformatorblechen, der ebenfalls durch eine zweite Isolierschicht 8 gegenüber dem Hochstromleiter 2 elektrisch isoliert ist. Der Eisenkern 7 kann in bekannter Weise als ein- oder beidseitig geschlossener Transformatorkern gebildet sein.
Der Kragen 5 am Hochstromleiter 2 ist plattenförmig oder blockförmig ausgebildet. Der rohrförmige Hochstromleiter 2 und der Kragen 5 weisen in radialer Richtung des Rohrquerschnittes einen gemeinsamen Schlitz 9 in Längsrichtung des Hochstromleiters 2 auf. Der Kragen 5 liegt in der Mitte zwischen den beiden Primärwicklungen 3, 4 an dem Hochstromleiter 2.
Der Kragen 5 ist, wie in 5 gezeigt ist, üblicherweise mit dem rohrförmigen Hochstromleiter 2 verlötet, verschweißt oder auf den rohrförmigen Hochstromleiter aufgeschrumpft. Der Kragen 5 kann aber gemäß der Schnittdarstellung von 6 mit dem rohrförmigen Hochstromleiter 2 auch als ein Teil gefertigt sein.
Der Kragen 5 besitzt, wie in 1 und 2 gezeigt ist, im Bereich des Schlitzes Kontaktflächen 10, 11 zum Anschluß von Magnetfeldkonzentratoren 12. Diese sind vorzugsweise nach Patent DE 44 36 615 ausgebildet.
Hierbei kann der Magnetfeldkonzentrator 12, wie in 2 gezeigt ist, teilbar sein, um das Einlegen von Teilen mit einem größeren Durchmesser an den Enden, zum Beispiel Fittinge, zu erlauben. Der Magnetfeldkonzentrator 12 besteht dann aus einem Unterteil 12a, das an den Kontaktflächen 10 und 11 des Kragens 5 befestigt ist, und aus einem Oberteil 12b. Der Kragen 5 selbst kann aber auch zweiteilig ausgebildet sein und aus einem Basisteil 5a, auf welchem die Primärwicklungen angeordnet sind, und einem damit lösbar verbundenen Aufsatzstück 5b mit der Öffnung 14 für das zu verformende Werkstück bestehen, wie in 3 mittels einer gestrichelten Trennlinie 5c angedeutet ist. Das Basisteil 5a und das Aufsatzstück 5b des Kragens 5 können durch Zertrennen eines gemeinsamen Ausgangsformstückes hergestellt werden.
Der teilbare Magnetfeldkonzentrator 12 von 2 wird durch hohen Druck "P" auf seine obere Fläche geschlossen, wobei der Kragen 5 als Widerlager dient.
Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen besteht der Kragen 5 aus einer elektrisch gut leitenden, hochfesten Legierung von Kupfer mit festigkeitserhöhenden Elementen, wie Cobalt, Nickel, Beryllium, Chrom, Zirkon und/oder anderen Legierungsbestandteilen. Der Schlitz 9 ist mit einem elektrischen Isoliermaterial versehen.
Statt mit einem aufgesetzten Magnetfeldkonzentrator 12 kann der Kragen 5 mit dem rohrförmigen Hochstromleiter 2 und dem Magnetfeldkonzentrator, wie in 3 gezeigt ist, aber auch einteilig ausgebildet sein.
Hierbei sind der Kragen 5 und der Magnetfeldkonzentrator 12 als ein massiver, plattenförmiger Leiterblock aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie Kupfer, Aluminium oder einer anderen geeigneten Legierung ausgebildet mit einer im Durchmesser beispielsweise größeren Öffnung 13 für den Hochstromleiter 2 mit dem Eisenkern 7 des Impuls-Transformators 1 und einer zweiten Öffnung 14 für den Magnetfeldkonzentrator, die durch einen engen radialen Schlitz 9 miteinander verbunden sind. Die den Hochstromleiter 2 umschließenden Primärwicklungen 3, 4 des Impuls-Transformators 1 sind an beiden Seiten der Öffnung 13 mit dem plattenförmigen Kragen 5 fest verbunden.
Dabei kann der Kragen 5 rings um die Mittelöffnung 13 mehrere, in der Zeichnung nicht gezeigte Durchführungen für Haltebolzen aufweisen, die die aufgesetzten Primärwicklungen 3, 4 von beiden Seiten koaxial an den Kragen 5 anpressen.
Statt der dargestellten Wicklungsformen können die Primärwicklungen 3, 4 des Impuls-Transformators 1 in einer nicht gezeigten Ausführungsform auch als Magnetspulen mit scheibenförmigen Stromleitern und dazwischen angeordneten Isolierscheiben nach DE 36 10 690 C2 ausgebildet sein.

1: Impuls-Transformator
2: Hochstromleiter
3: Primärwicklung
4: Primärwicklung
5: Kragen
5a: Basisteil
5b: Aufsatzstück
5c: Trennlinie
6: Isolierschicht
7: Eisenkern
8: Isolierschicht
9: Schlitz
10: Kontaktfläche
11: Kontaktfläche
12: Magnetfeldkonzentrator
12a: Unterteil
12b: Oberteil
13: Öffnung
14: Öffnung
"P": Druck

Claims

Impuls-Transformator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse mit einer oder mehreren auf bzw. an einem rohrförmigen längsgeschlitzten Hochstromleiter angeordneten Primärwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromleiter (2) einen mit ihm fest verbundenen Kragen (5) besitzt, der wie der Hochstromleiter (2) aus einem massiven elektrisch gut leitenden Material besteht und über den Durchmesser der Primärwicklungen (3, 4) hinausragt.
Impuls-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) plattenförmig oder blockförmig ausgebildet ist.
Impuls-Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Hochstromleiter (2) und der Kragen (5) in radialer Richtung des Rohrquerschnittes einen gemeinsamen Schlitz (9) in Längsrichtung des Hochstromleiters (2) aufweisen.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) in der Mitte zwischen den Primärwicklungen (3, 4) an dem Hochstromleiter (2) liegt.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) mit dem rohrförmigen Hochstromleiter (2) verlötet, verschweißt oder auf den rohrförmigen Hochstromleiter (2) aufgeschrumpft ist.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) mit dem rohrförmigen Hochstromleiter (2) als ein Teil gefertigt ist.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) im Bereich des Schlitzes (9) Kontaktflächen (10, 11) zum Anschluß von Magnetfeldkonzentratoren (12) besitzt.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) mit dem rohrförmigen Hochstromleiter (2) und dem Magnetfeldkonzentrator (12) einteilig ausgebildet ist.
Impuls-Transformator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldkonzentrator (12) teilbar ist und das Einlegen von Teilen mit einem größeren Durchmesser an den Enden, zum Beispiel Fittinge, erlaubt.
Impuls-Transformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der teilbare Magnetfeldkonzentrator (12) durch hohen Druck "P" auf seine obere Fläche geschlossen wird, wobei der Kragen (5) als Widerlager dient.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) aus einer elektrisch gut leitenden, hochfesten Legierung von Kupfer mit festigkeitserhöhenden Elementen, wie Cobalt, Nickel, Beryllium, Chrom, Zirkon und/oder anderen Legierungsbestandteilen, besteht.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen mit Bohrungen zum Durchleiten von Kühlflüssigkeiten, wie Öl, Wasser oder dergleichen, versehen ist.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) und der Magnetfeldkonzentrator (12) als ein massiver, plattenförmiger Leiterblock aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie Kupfer oder Aluminium, ausgebildet ist mit einer Öffnung (13) für den Hochstromleiter (2) mit dem Eisenkern (7) des Impuls-Transformators (1) und einer im Öffnung (14) für den Magnetfeldkonzentrator, die durch einen engen radialen Schlitz (9) miteinander verbunden sind, wobei die den Hochstromleiter (2) umschließenden Primärwicklungen (3, 4) des Impuls-Transformators (1) an beiden Seiten der größeren Öffnung (13) mit dem plattenförmigen Kragen (5) fest verbunden sind.
Impuls-Transformator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) mehrere Durchführungen für Haltebolzen aufweist, die die aufgesetzten Primärwicklungen (3, 4) von beiden Seiten koaxial an den Kragen (5) anpressen.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (9) 0 zwischen der Öffnung (13) und der Öffnung (14) für den Magnetfeldkonzentrator (12) mit einem elektrischen Isoliermaterial versehen ist.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (5) zweiteilig ausgebildet ist und aus einem Basisteil (5a) mit der Öffnung (13) und einem damit lösbar verbundenen Aufsatzstück (5b) mit dem Magnetfeldkonzentrator (12) besteht.
Impuls-Transformator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (5a) und das Aufsatzstück (5b) des Kragens (5) durch Zertrennen eines gemeinsamen Ausgangsformstückes hergestellt sind.
Impuls-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen (3, 4) des Impuls-Transformators (1) als Magnetspulen mit scheibenförmigen Stromleitern und dazwischen angeordneten Isolierscheiben ausgebildet sind.