DE2856558A1

DE2856558A1 - Anordnung zur wirbelstrominduzierten beschleunigung von kleinen massen und staub

Info

Publication number: DE2856558A1
Application number: DE19782856558
Authority: DE
Inventors: Eduard Prof Dr Ing Igenbergs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-12-28
Filing date: 1978-12-28
Publication date: 1980-07-03
Also published as: DE2856558C2

Description

Titel: ANORDNUNG ZUR WIRBELSTROMINDUZIERTEN BE-
SCHLEUNIGUNG VON KLEINEN MASSEN UND STAUB Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Beschleuniger, der Massen aus Metall oder beliebigem Material sowie Flüssigkeiten in einer Beschleunigungsstrecke von 2 bis 20 mm beschleunigt.
Herkömmliche elektromagnetische Beschleuniger arbeiten kontinuierlich, wobei sie nach dem Prinzip des Linearmotors die kinetische Energie von Massen aus elektrisch leitfähigem Material in langen Beschleunigungsstrecken erhöhen.
Ein derartiger Beschleuniger ist z.B. aus der Offenlegungsschrift 2460507 bekannt. Dort werden die aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Geschoße als Läufer eines elektrischen Linearmotors ausgebildet, dessen Ständer aus einer Mehrzahl von längs des Rohres hintereinander angeordneten Eleketromagnetspulen gebildet ist, die unter Erzeugung eines zur Rohrmündung hin laufenden magnetischen Wanderfeldes erregbar sind.
Ein Nachteil einer derartigen Vorrichtung besteht darin, daß die Regelung der Erregerspulen sehr schwierig, aufwendig und kostenträchtig ist. Zudem werden die Abmessungen des Gerätes groß. Außerdem muß den Erregerspulen über einen längeren Zeitraum stetig eine große Energiemenge zugeführt werden, Staub oder kleine Teilchen im gm-Bereich können nicht mit ein- und demselben Aufbau beschleunigt werden. Der Wartungsaufwand ist hoch.
Existierende Geräte, die Teilchen der letztgenannten Kategorie zu beschleunigen vermögen, basieren auf elektrodynamischen und/oder elektrostatischen Effekten.
Auch diese Anlagen sind kostspielig in der Anschaffung und im Unterhalt. Sie sind komplex und groß in ihren Abmessungen. Hinzu kommt, daß sie nur für Teilchen mit engbegrenzter Größe sowie nur im oberen Geschwindigkeitsbereich von 1000 m/sec bis 40 km/sec optimal arbeiten können.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den beschriebenen elektromagnetischen Beschleuniger derart aus zu bilden, daß Geschwindigkeiten wählbar von 1 bis 1000 m/sec für Teilchen vom feinsten Staub ( < 0.1 Wm) bis 50 mm erreicht werden.
Diese Aufgabenstellung wird dadurch gelöst, daß die primär beschleunigten Massen (3) scheiben- oder ringförmig sind und aus elektrisch leitfähigem Material bestehen. Der Durchmesser dieser Massen (3) kann zwischen 2 mm und einigen Zentimetern gewählt werden, die Scheibendichte beträgt hierbei etwa 0.1 mm bis 10 mm.
Bei der Beschleunigung von kleineren Teilchen (4), insbesondere von Massen aus elektrisch nicht oder nur schlecht leitendem Material, wird die Metallscheibe beschleunigt und wirkt als Mitnehmer. Die auf der Oberfläche der Scheibe befindlichen Teilchen (4) (Staub, Flüssigkeitströpfchen) werden mitgeführt und beschleunigt. Wird der Mitnehmer (3) mitte ls einer geeigneten Vorrichtug (5) abgebremst, so fliegen die Teilchen (4) ohne diesen alleine weiter.
Wesentliche Vorteile der Anordnung sind die kleinen Abmessungen, die Einfachheit in Aufbau und Handhabung sowie die Betriebssicherheit. Die für den Betrieb der Anordnung benötigte Energie braucht nur einmal, vor der Beschleunigung, gespeichert zu werden, einer externen Energiequelle braucht während der Beschleunigung keine Energie entzogen zu werden.
Außer einem Schalter (14) wird während der Beschleunigung kein Regelmechanismus oder eine sonstige Beeinflussung der Anordnung benötigt! Trotzdem werden die Massen (3) bzw. Teilchen (4) jedes Mal auf die gleiche, gewünschte Endgeschwindigkeit beschleunigt.
Dies konnte in ausgedehnten Versuchsreihen bewiesen werden.
Der für viele Anwendungsgebiete der Erfindung wichtigen Eigenschaft der genauen Festlegung des Beginns der Beschleunigung ist bei der beschriebenen Anordnung Rechnung getragen: dieser Zeitpunkt kann auf 1 ßsec genau vorherbestimmt werden, weil die verwendete Kondensator-Stoßbatterie (handelsüblich) so genau geschaltet werden kann.
Da kein flüssiges oder gasförmiges Medium zur Übertragung der Energie auf die zu beschleunigende Masse benötigt wird, erfolgt auch keine Verunreinigung. Der Beschleuniger arbeitet deshalb auch bei extremen Umweltbedingungen, so bei hohen oder niedrigen Temperaturen und im Vakuum.
Die Erfindung basiert auf dem Einsatz einer aus einer Kondensatorbatterie (2) gespeisten Erregerspule (1) und der durch sie verursachten Wirbelströme in elektrisch leitenden Medien. Die'Erregerspule selbst ist hierbei zylindrisch, kegel- oder spiralförmig gewickelt. Als Spulendraht (9) für die spiralförmige Spule eignet sich in besonderer Weise weichgeglühtes Kupferband, das mit Schrumpfschlauch (8) isoliert ist. Der Spulenkörper (10) besteht aus Nylon oder einen anderen, elektrisch nicht leitenden, jedoch zugfesten und zähen Werkstoff. Die Spulenwindungen sind im Spulenkörper eingegossen oder einfach nur eingelegt. Bei größeren Wandstärken des Spulendrahtes kann auf diesen Spulenkörper verzichtet werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das elektrische Ersatzschaltbild der Beschleunigungsanordnung; Beschleunigung von scheibenförmigen, aus leitfähigem Material bestehenden Massen, Fig. 2 eine kegelig gewickelte Erregerspule (Ausführungsbeispiel), Fig. 3 eine spiralformig gewickelte Erregerspule (Ausführungsbeispiel), Fig 4a und 4b eine gewundene (maanderförmige) Erreger spule (Aus fuhrungsbeispi eI) Fig 5a) bis 5g) 6 Anordnungen, welche die in den Patentansprüchen niedergelegten Anwendungsmöglichkeiten des der Erfindung z ugrundege legten Prinzips dokumentieren.
Die in Fig. 1 schematisierte Beschleunigungsanordnung basiert auf demInduktlonspnnzip.
Ein Hochspannungskondensator (2) wird in einem induktivitäts-und widerstandsarmen Kreis über eine Spule 11) (= Primärspule) entladen. Der Entladungsstrom zeigt einen sinusformagen Verlauf mit schwacher Dämpfung. Durch die zeitliche Anderung des durch die Spule erzeugten magnetischen Flusses wird in einer unmittelbar vor der Spule konzentrisch angebrachten Metallscheibe (3) (= Sekundärspule) ein Strom induziert. Dieser induzierte Strom ist aufgrund des geringen Widerstandes der Scheibe ein Kurzschlußstrom und besitzt gegenüber dem Strom der Primärspule im günstigsten Fall die Phasenverschiebung w. Beide Ströme sind dann in jedem Augenblick entgegengerichtet und stoßen sich ab. Diese axial wirkende Kraft beschleunigt die Scheibe.
Entsprechend der Aufgabenstellung bieten sich zwei Möglichkeiten: a) Große, insbesondere scheibenähnliche Metallmassen (3) lassen sich auf diese Weise direkt beschleunigen. Am Anfang der Beschleunigungsstrecke kann eine Führung zur Richtungsstabilisierung angeordnet werden.
b) Kleine und staubförmige Massen aus beliebigem Material (4) werden auf eine metallische Trägerscheibe, den Mitnehmer (3), aufgebracht und mit dieser zusammen beschleunigt. Der Mitnehmer wird dann durch eine Blende (5) so abgebremst und aufgefangen, daß die kleinen und/ oder staubförmigen Massen (4) weiterfliegen können.
Bei vorgegebener Spulengeometrie ist die auf den Mitnehmer wirkende axiale Kraft proportional dem Produkt der fließenden Ströme; die Beschleunigung des Mitnehmers ist umgekehrt proportional zu seiner Masse. Da der im Mitnehmer induzierte Strom von der elektrischen Leitfähigkeit des Materials abhängt, läßt sich der Quotient aus elektrischer Leitfähigkeit und Dichte des Mitnehmers als ein für die Beschleunigung charakteristischer Wert ansehen: A = F K m P wobei bedeuten: F auf den Mitnehmer wirkende Kraft [N ] m beschleunigte (Mitnehmer) Masse [ kg] K Leitfähigkeit des Mitnehmermaterials E A/VJ p spez. Dichte des Mitnehmermaterials [kg/m3 Die vorteilhafte Verwendung von Aluminium ergibt sich aus der folgenden Gegenüberstellung: Mitnehmermaterial Al Stahl Au Cu Ag Ms p . 13,3 1,34 2,3 6,3 6 1,63 . .
Die Dimensionierung des Beschleunigers hinsichtlich geometrischer und elektrischer Größen wurde experimentell und theoretisch untersucht. Zu diesem Zweck wurde der Entladungskreis mit einem niederinduktiven Hochspannungskondensator aufgebaut; als Schalter wurde ein 100 kA-Ignitron (14) eingesetzt.
Für Voruntersuchungen wurden Spulen verschiedener Form und Größe hergestellt und getestet.
Am Ort des Mitnehmers ist ein möglichst hoher magnetischer Fluß erstrebenswert, wobei die radiale Komponente des Magnetfeldes in Wechselwirkung mit dem im Mitnehmer induzierten Ringstrom die axiale beschleunigende Kraft liefert.
Eine große zeitliche Änderung des magnetischen Flusses ergibt eine bessere Beschleunigung, es ist deshalb eine Spule mit geringer Induktivität zu verwenden.
Der Beschleunigervorgang wurde am Rechner simuliert.
Fig. 2 zeigt eine kegelförmig gebaute Erregerspule, Fig. 3 eine spiralförmig ausgeführte, Fig. 4a / 4b eine mäanderförmig gewickelte. Bei der letztgenannten ergibt sich für den Mitnehmer eine andersgeartete Flächenbelastung.
Wie die Beispiele zeigen, ist der halbe öffnungswinkel der Erregerspule von 0 - 900 wählbar, je nach Verwendungszweck der Spule.
Fig. 5a verdeutlicht d-ie Beschleunigung von kleinen Teilchen (4) durch einen Mitnehmer (3). Die auf der Oberfläche haftenden Teilchen werden beschleunigt und fliegen bei der Abbremsung des Mitnehmers an der P (5) frei weiter. Zu diesem Zweck ist in der P (5) eine Bohrung vorgesehen, durch welche die Teilchen die Prallplatte frei passieren können.
Fig. 5b zeigt eine Anordnung zur Erzeugung von Stoßwellen in Flüssigkeiten oder Gasen (15), die elektrisch nicht leitfähig sind. Die Anordnung findet Anwendung zur Simulation stark beschleunigter Körper (u.a. Fahrzeuge) in Medien. Als Stoßwellenerzeuger dient eine Metallscheibe (3), welche im Tank (22) durch die Erregerspule (1) plötzlich aus einer Ruhelage heraus beschleunigt wird.
* P = Prallplatte Fig. 5c zeigt eine Ausführung der Erfindung zur Erzeugung von Stonwellen in elektrisch leitenden, festen Körpern (7). Diese können die Funktionen eines Druckleiters übernehmen.
Fig. 5d verdeutlicht eine Anordnung zur direkten Erzeugung von Stoßwellen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten oder Gasen (6). Es wird hierbei kein Kraftübertrager etwa nach der Anordnung von Fig. Sb benötigt.
Fig. 5e zeigt ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung, die Verformung von Blechen (3) unter gleichzeitiger steuerbarer Erhitzung der zu verformenden Bleche.
Hierdurch sind extreme, materialschonende Verformungen errreichbar.
Im Blech werden wie bei der Teilchenbeschleunigung im Mitnehmer Wirbelströme induziert, deren magnetische Felder in Wechselwirkung treten mit dem magnetischen Feld der Erregerspule: wie früher der Mitnehmer, so wird auch das Blech (3) von der Spule abgestoßen und auf den Formstempel (16) gedrückt.
Fig. 5f verdeutlicht im Prinzip eine Anordnung, die als ein schnelles, aktives Ventil eingesetzt werden kann (z.B. in der Plasmatechnik): wird der Stromkreis der ersten Erregerspule geschlossen, wird die Metallscheibe (3) abgestoßen, wobei sie den Gaseinlaß (18) freigibt. Beim Schließen des Stromkreises der zweiten Erregerspule wird diese Metallscheibe wieder zurückgedrückt, wobei der Gaseinlaß (18) wiederum gesperrt wird. Die Rückstellfeder (20) sperrt den Gaseinlaß, solange kein Strom in einem der beiden Stromkreise fließt, die Feder legt so die Ruhelage der Metallscheibe (3) fest.
Fig. 5g zeigt den Aufbau für zweistufige Beschleunigung.
Die erste Erregerspule (1) beschleunigt die Metallscheibe (3) in Richtung der zweiten Erregerspule.
Passiert die Metallscheibe (3) die zweite Erregerspule, wird durch sie Strom geschickt, die Metallscheibe wird weiter beschleunigt (nachbeschleunigt) Hierdurch läßt sich eine höhere Teilchenendgeschwindigkeit erzielen sowie eine weichere Beschleunigung der Metallscheiben.
Die Fig 5a bis g zeigen demnach die in den Patentansprüchen beschriebenen Anwendungsmöglichkeiten des Gerätes: a) Beschleunigung, insbesondere scheibenförmiger, aus elektrisch leitfähigem Material bestehender Körper (3).
b) Beschleunigung kleiner Teilchen (4) aus beliebigem Material, insbesondere Staub, mittels eines Mitnehmers (3) aus elektrisch leitfähigem Material.
c) Simulation sehr stark beschleunigter stumpfer Körper in Medien. Es ist eine Beschleunigung bis zu 5 10 g erreichbar.
d) Erzeugung schnell gepulster Stoßwellen in beliebigen Stoffen. Es sind Kraftanstiege von 50 kN in 5 ßs bei einer Pulsfrequenz von 100 kHz (= doppelte Betriebsfrequenz) und mehr erreichbar.
e) die Verformung von Blechen (3) aus elektrisch leitfähigem Material, wobei nur ein Formstempel (16) benötigt wird.
f) Schnelle Ventile, insbesondere schnelle aktive Ventile.
g) Schnelle Zerstäubung genau bekannter Flüssigkeitsmengen.
h) Verformung von Blechen (3) unter gleichzeitiger, gesteuerter Erhitzung.

Claims

PATENTR4SPRUCHE Anordnung zum Beschleunigen von Massen (3) mit einem Durchmesser größer als 2 mm mittels einer elektromagnetischen Spule, dadurch gekennzeichnet, daß diese Massen vorzugsweise, aber nicht notwendig, scheiben- oder ringförmig sind, aus elektrisch leitfähigem Material bestehen oder aus einem dielektrischen Medium, wobei in dieses dann Kurzschlußringe eingelassen sind. Diese Massen liegen vor der Beschleunigung auf oder allgemein auf der Achse einer Spule (1), welche ihre Energie aus der Stoß entladung einer zuvor aufgeladenen Kondensatorbatterie (2) erhält. Der elektrische Kreiswiderstand R (13) ist hierbei so klein als möglich zu halten.

Die Spule besteht aus einem mit einem halben Offnungswinkel von bis 900 gewickelten Spulendraht oder Spulenband (9), das aus elektrisch gut leitfähiaem Material besteht, vornehmlich aus weichgeglühtem Kupfer. Die Spulenwindungen sind voneinander isoliert (8) in einem Spulenkörper (10) untergebracht, der die mechanischen Spannungen und Reaktionskräfte während des Schusses aufzunehmen vermag. Dieser Spulenkörper ist aus zugfestem, dabei zähem und elastischem Material, wie z.B. Polyamid. Für Dauerbeanspruchungen kann der Spulendraht innen und/oder außen durch Kanäle oder Bohrungen gekühlt werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) frei gewickelt ist, b.h. in keinem zusätzlichen Spulenkörper (10) einqebettet ist. Dies ist bei Verwendung stärkerer Spulendrähte (9) zulässig, die die mechanischen Spannungen in sich aufzunehmen vermögen.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) mäanderförmig gewickelt ist (siehe auch Fig. 4).
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch geker.nzeichnet, daß die primär beschleunigte Masse aus elektrisch leitfähigem Material als Mitnehmer (3) für kleinere Teilchen (4) (Staub, Flüssigkeitströpfchen) dient, wobei dieser Mitnehmer nach der Beschleunigung von einer Prallplatte oder Stripper (5) abgebremst wird Die Teilchen (4) können aus einem dielektrischen oder elektrisch leitfähigen Material bestehen!
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Stelle des Strippers (5) eine zweite Erregerspule (1) tritt, die den Mitnehmer (3) elektromagnetisch abbremst.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die primär beschleunigte Masse (3) mit oder ohne Erregerspule (1) in einer Flüssigkeit (15) befindet, in der sie beim Abschuß Stoßwellen erzeugt bzw. die starke Beschleunigung stumpfer Körper in Medien im Labor simuliert.
7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Menge von Flüssigkeit (15), welche sich anstelle des Staubes auf dem Mitnehmer (3) befindet, nach der Abbremsung des Mitnehmers zerstäubt wird.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der scheibenförmigen Masse (3) ein aus elektrisch leitfähigem Material bestehender Druckleiter (7) tritt, in den Stoßwellen induziert werden.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckleiter (7) aus elektrisch schlecht oder nicht leitendem Material besteht und dafür eine oder mehrere Kurzschlußwindungen aus elektrisch leitfähigem Material aufweist.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des aus festem Material bestehenden Druckleiters (7) eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit (6) tritt.
11. Anordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der scheibenförmigen Masse (3) ein aus elektrisch gut leitfähigem Material bestehendes Blech tritt, welches beschleunigt wird und gegen einen Formstempel (16) fliegt oder drückt, wobei dieses Blech (3) gleichzeitig gezielt durch die auftretenden Kurzschlußströme über die Wahl der Spuleninduktivität, Kreiskapazität (2) und der Ladespannung der Kondensatorbatterie (2) erhitzt werden kann, so daß extreme Verformungen erreicht werden können.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des elektrisch leitfähigen Bleches (3) eine aus nicht elektrisch leitfähigem Material bestehende Platte tritt, welche über ein aus elektrisch leitfähigem Material bestehendes Blech (3) als Mitnehmer gegen den Formstempel (16) gedrückt wird.
13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beschleunigte, scheibenförmige Masse (13) den Stößel eines Ventiles darstellt, das so sehr schnell geöffnet wird, offen bleibt oder anschließend über einen Rückstellmechanismus (20) wieder geschlossen wird.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstößel nach dem öffnen, also nach einer Beschleunigung durch die erste Erregerspule, mittels einer zweiten Erregerspule zurückgedrückt wird, das Ventil also wieder geschlossen wird. Hiermit erhält man ein aktives, schnelles Ventil mit exakt wählbaren Offnungs-und Schließzeiten.
15. Anordnung nach Anspruch 1 mit 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Erregerspule (1) als Anordnung mehrerer Spulen aufzufassen ist, welche nacheinander getriggert werden, wodurch eine mehrstufige, freie Beschleunigung erzielbar wird.
16. Anordnung nach Anspruch 1 mit 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie für die Erregerspulen (1) nicht in einer Kondensatorbank (2) gespeichert ist, sondern über einen elektrischen Arbeitsspeicher beliebiger Art gespeist wird, indem die Erregerspule während des Schusses dem Speicher Energie entnimmt.