DE3887138T2

DE3887138T2 - Generator zum erzeugen von impulsen hoher energie.

Info

Publication number: DE3887138T2
Application number: DE3887138T
Authority: DE
Inventors: Mircea Driga; Siddharth Pratap; William Weldon
Original assignee: University of Texas System
Current assignee: University of Texas System
Priority date: 1987-03-25
Filing date: 1988-03-23
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2008-03-24
Also published as: EP0353252A1; IL85875A0; US4935708A; CA1286358C; BR8807429A; JP2755638B2; AU607510B2; DE3887138D1; EP0353252B1; WO1988008219A3; IL85875A; WO1988008219A2; JPH02503261A; AU1786388A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Impulsen elektrischer Energie und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Hochenergieimpulsen elektrischer Leistung kurzer Impulsdauer und zum Vorsehen eines hohen Flexibilitätsgrades der Impulsform.
Generatoren zum Erzeugen gepulster Leistung stellen eine Technologie dar, in den Bereichen der nationalen Verteidigung, der Fusion, der Raumtechnologie und in der Industrie angewendet wird. In Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung werden unterschiedliche Typen von Strom- und Spannungsimpulsformen benötigt, die von den Quellen gepulster Leistung geliefert werden. Beispielsweise benötigt ein elektromagnetischer Launcher einen im allgemeinen rechteckigen Impuls eines hohen Stroms. Der Pegel der zu einem derartigen Launcher zugefährten Energie ist im allgemeinen in der Größenordnung von einigen 10 Megajoules. Im Zuge der relativ neuen Entwicklungen elektromagnetischer Launcher und Hochenergielaser haben sich neue Forderungen nach hohen Pegeln elektrischer Energie, die in besonderen Wellenformen zuzuführen sind, ergeben.
Bis in die jüngste Zeit wurde gepulste Leistung unter Benutzung von Kondensatoren und anderen elektrischen Energiespeichervorrichtungen geliefert. Jedoch hat eine ausgeprägte Unzufriedenheit mit den hohen Kosten und mit den geringen Energiespeicherkapazitäten dieser Vorrichtungen zu der Suche nach geeigneteren Quellen bzw. Generatoren geführt.
Ein Ergebnis einer derartigen Suche nach geeigneteren gepulsten Leistungsquellen ist in dem U.S. Patent Nr. 4,200,831 (Weldon et al.) gezeigt. Ein kompensierter gepulster Altemator erzeugt einen Hochenergieimpuls elektrischer Leistung kurzer Dauer unter Benutzung einer Kompensationswicklung, um die Innenimpedanz des Altemators zum Zeitpunkt seiner Spitzenausgabe zu reduzieren. Im Ergebnis wird der Ausgabestrom des Alternators erhöht. Eine Einschränkung des kompensierten gepulsten Alternators liegt jedoch in der eingeschränkten Flexibilität in der Art des erzeugten Stroms und der Spannungsimpulsform.
Um die im folgenden beschriebene Erfindung klar hinsichtlich des Weldon-Patents zu verstehen, ist darauf hinzuweisen, daß bei diesem Stand der Technik ein Impulsgenerator vorgesehen ist, der sequentiell Hochleistungsimpulse elektrischer Leistung kurzer Dauer einer Lastschaltung zuführt. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, daß ein externer Triggerschalter vorgesehen ist, der zwischen der Rotorwicklung und der Lastschaltung gekoppelt ist, wobei dieser Schalter angepaßt ist, periodisch und sequentiell geschlossen und geöffnet zu werden, um diese Impulse dieser Lastschaltung zuzuführen. Die von diesem Schalter erlaubten Impulse sind darüber hinaus ein halber Sinusimpuls oder ein Teil davon. Damit sieht dieser Stand der Technik nicht vor; elektrische Ausgangs- Impulse mit einer vorbestimmten Form in Abhängigkeit des Musters eines nicht gleichmäßigen oder nicht symmetrischen Flußmusters auszugeben. Die Bedeutung dieser Tatsache wird im folgenden voll verstanden werden. Die vorliegende Erfindung stellt sich wie in den Ansprüchen 1 bis 16 definiert dar. Alle unabhängigen Ansprüche 1, 13, 14 und 15 sind in der zweiteiligen Form abgefaßt, wobei davon ausgegangen wird, daß das U.S. Patent Nr. 4,200,831 der nächste Stand der Technik ist.
Damit sind die Merkmale, die in dem Oberbegriff dieser Ansprüche genannt sind, schon in dem vorerwähnten Stand der Technik bekannt.
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber diesem Stand der Technik insoweit, als Hochenergieimpulse elektrischer Leistung mit einem hohen Flexibilitätsgrad bezüglich der Art des Impulses erzeugt werden können. Die Vorrichtung, die einen Einphasen-, Zwei- oder Mehrpolalternator mit Trägheitsenergiespeicherung einschließt, kann benutzt werden, um direkt Vorrichtungen wie beispielsweise elektromagnetische Launcher mit Leistung zu versorgen, wobei ein im allgemeinen rechteckiger; flacher Stromimpuls erwünscht ist. Alternativ kann die Vorrichtung elektrische Impulse praktisch jeder Form generieren, in Abhängigkeit von der besonderen Anwendung und der gewünschten Form. Beispielsweise kann ein Ausgabestromimpuls konstant ansteigenden oder abfallenden Wertes benötigt werden oder ein im allgemeinen rechteckiger Impuls mit einem großen Gefälle kann für eine gegebene Last erwünscht sein. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Generierung derartiger Impulse.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen von Hochenergieimpulsen elektrischer Leistung weist im allgemeinen zwei Schritte auf. Erstens wird eine Magnetflußverteilung in dem Generator unter Benutzung von Erregerfeldwicklungen und Rotorwicklungen hergestellt. Zweitens wird der Magnetfluß "komprimiert" oder in ausgewählten Flächen modifiziert, womit ein angepaßtes magnetisches Flußmuster geschaffen wird, das eine elektromotorische Kraft (EMK) in der Rotorwicklung induziert. Der als ein Ergebnis der induzierten EMK hergestellte Ausgabestrom wird Eigenschaften haben, die von dem angepaßten Flußmuster bestimmt sind. Ein impulsbildender Generator gemäß der vorliegenden Erfindung weist im allgemeinen ein Flußmustermechanismus zum Erzeugen eines Magnetflusses auf, das ein nicht gleichmäßiges oder nicht symmetrisches Muster hat, eine Erregerfeldentwicklung, die drehbar durch diesen magnetischen Fluß ist, um eine Wellenform des elektrischen Ansgangsimpulses mit einer vorbestimmten Form zu generieren, wobei die Form des Impulses abhängt von dem nicht gleichmäßigen Muster des Magnetflusses. Das nicht gleichmäßige Flußmuster kann durch die Benutzung harmonisch verteilter Erregerfeldwicklungen, durch die Benutzung von Erregerfeldwicklungen mit nicht gleichförmigen Konfigurationen oder mit relativen Positionieren oder mit einer Kombination von beiden hergestellt werden. Aktive oder passive Kompensation kann auch eingeschlossen werden, um weiterhin das Magnetflußmuster zu formen und anzupassen. Die Benutzung einer Kompensationswicklung, um aktiv die Flußverteilung zu erhöhen, oder die Benutzung einer Abschirmung, die ausgewählte leitende Gebiete und ausgewählte nicht leitende Gebiete hat, um passiv die Flußverteilung zu erhöhen, haben jeweils die Wirkung, den Magnetfluß in ausgewählten Gebieten zu "komprimieren". Alternativ oder zusätzlich kann die Anker- bzw. Rotorwicklung nicht gleichmäßig oder nicht symmetrisch sein, was eine ungleiche Magnetflußverbindung verschiedener Wicklungen ergibt, was eine Änderung der induzierten EMK bewirkt und eine Änderung in dem Ausgabestromimpuls ergibt.
Obwohl die Benutzung von vielen Techniken es erfordert, daß sie in die Maschinen während ihres Entwurfs und wählend der Herstellung eingebaut werden, können bestimmte Merkmale, die eingeschlossen werden können, alternativ benutzt werden oder nicht benutzt werden, womit ein dynamisches Anpassen des Magnetflußmusters und somit des Ausgabeimpulses vorgesehen wird. Beispielsweise können ausgewählte Erregungswicklungen von verschiedenen Leistungsquellen versorgt werden und eine Änderung in den Quellen wird eine Änderung in dem Magnetflußmuster bewirken.
Fig. 1A zeigt einen Gramme-Ring mit Erregerwicklungen.
Fig. 1B zeigt Wellenformen für die Magnetflußdichte und der rotorinduzierten EMK, die von den Wicklungen nach Fig. 1A herrühren.
Fig. 2A zeigt einen Gramme-Ring mit nur zwei Erregerwicklungen.
Fig. 2B und 2C zeigen die Flußdichteverteilung und die generierte Spannung in dem Rotor für die Konfiguration nach Fig. 2A.
Fig. 3A zeigt eine konzentrierte Feldwicklung und die radiale Flußdichtenverteilung für die konzentrierte Feldwicklung.
Fig. 3B zeigt die Flußdichteverteilung, die sich aus der Kombination einer Vollteilungs-Vollamplitudenwicklung, einer Halbteilungs-Halbamplitudenwicklung und einer Viertelteilungs-Viertelamplitudenwicklung ergibt.
Fig. 3C zeigt die Komponenten der Flußdichtenbeiträge jeder der Wicklungen nach Fig. 3B.
Fig. 4 zeigt die Wirkung auf generierte Spannung der Addition einer Kompensationswicklung auf den Rotor.
Fig. 5 zeigt eine Rotorwicklung, die eine Kombination von Wellen- und Überdeckungswicklungen mit unterschiedlichen Spulenweiten bzw. Spulenteilungen ist.
Fig. 6A und 6B zeigen eine Rotorwicklung für eine Maschine mit flachen Stromimpulsen bzw. die entsprechende Kompensationswicklung.
Fig. 7 ist ein Schnitt durch den Rotor einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Grund- und harmonisch verteilte Feldwicklungen und eine nicht gleichmäßig verteilte Abschirmung zeigt.
Fig. 8 zeigt die Ausgabestromwellenform, die von einer bevorzugten Ausführungsform generiert worden ist.
Fig. 9 und 10 sind Zeichnungen, die den Stand der Technik gemäß US- Patent Nr. 4,200,831 (Weldon et al.) zeigen, das einen kompensierten Impulsalternator mit einem rotierenden Anker (4) innerhalb eines Satzes stationärer Feldwicklungen (2) oder (7) mit einem leitenden Mantel (6), der mit dem Stator (1) befestigt ist und den Rotor umgibt, beschreibt. Eine stationäre oder gegenrotierende Kompensationswicklung (9) kann benutzt werden, um die Ausgabespannung des Alternators zu erhöhen und um die interne Impedanz des Alternators im Zeitpunkt der Spitzenausgabe zu reduzieren.
Grundsätzlich hat ein Generator oder Alternator zwei Hauptkomponenten. Eine Feld- oder Erregerwicklung ist eine Wicklung, bzw. eine Spule oder eine Gruppe von Wicklungen, durch die ein elektrischer Strom hindurch läuft. Dieser "Erregungs"-Strom baut ein magnetisches Feld in der Nachbarschaft der Wicklung auf und das magnetische Feld schließt ein, was im allgemeinen als "Linien des Magnetflusses" bezeichnet wird. Eine Rotorwicklung ist eine Wicklung, getrennt von der Erregungswicklung, die die Linien des Magnetflusses schneidet, der von der Feldwicklung und dem Erregungsstrom gebildet worden ist. Dieses Schneiden führt zu einer induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) oder einer Spannung auf der Rotorwicklung gemäß gutfundierter Prinzipien der elektromagnetischen Theorie. Wird eine elektrische Lot mit der Rotorwicklung verbunden, wird veranlaßt, daß ein elektrischer Strom aufgrund der induzierten EMK fließt. Somit wird eine Ausgabespannung und - Strom durch den Generator generiert. Die Prinzipien des Betriebs von Generatoren und Alternatoren sind den Fachleuten bekannt.
Die vorliegende Erfindung schließt die Bildung von nach Kundenwünschen gebildeter Magnetflußmuster in einem Impulsgenerator unter Benutzung speziell konfigurierter Feldspulen und einiger Formen von aktiver oder passiver Kompensation ein. Zusätzlich oder alternativ können nicht gleichmäßige oder nicht symmetrische Rotorwicklungen benutzt werden, um die Form der Ausgabespannung oder des Ausgabestroms anzupassen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung kurzzeitiger Hochenergieimpulse elektrischer Leistung mit einem hohen Flexibilitätsgrad hinsichtlich der Form des Stromimpulses. Die Impulsform kann durch eine Änderung oder durch eine Anpassung an Kundenwünsche der Magnetflußverteilung gesteuert werden, die von den Erregungsfeldwicklungen gebildet wird und durch welche die Rotorwicklungen rotiert werden. Die Magnetflußverteilung kann Kundenwünschen durch verschiedene Verfahren angepaßt werden, die unten beschrieben werden oder durch eine Kombination der verschiedenen Verfahren.
Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen impulsformenden Generator zur Versorgung großer Mengen elektrischer Energie in einem kurzzeitigen, rechteckigen Impuls zu einem elektromagnetischen Launcher. Eine schnelle Anstiegszeit und ein flacher Impuls sind in hohem Maße in einer derartigen Anwendung erwünscht. Die verschiedenen Alternativen, die benutzt werden können, um diese Wellenform zu generieren, werden diskutiert und eine bevorzugte Ausführungsform wird beschrieben.
Das Generieren des rechteckigen, flachen Stromimpulses oder einer anderen erwünschten Wellenform gemäß der vorliegenden Erfindung schließt im allgemeinen zwei Schritte ein. Zunächst wird ein Basismagnetfluß unter Benutzung der Feldwicklungen gebildet. Als zweites wird der Magnetfluß "komprimiert" oder in ausgewählten Gebieten bezüglich nicht ausgewählter Gebiete geändert, was zu einer Änderung in der Basisverteilung und zu einer weiteren Anpassung an Kundenwünschen der Flußverteilung führt. Das bevorzugte Verfahren zum Generieren des rechteckigen flachen Impulses benutzt harmonische Wicklungen in dem Feld, um eine Rampelflußverteilung zu bilden. Eine nicht gleichmäßig verteilte leitende Abschirmung ist zwischen dem Feld und dem Rotor angeordnet, um den Magnetfluß in ausgewählten Gebieten bezüglich ausgewählter anderer Gebiete zu komprimieren.
Fig. 2A zeigt einen Gramme-Ring, der zwei Feldwicklungen darumgewikkelt hat. Durch das Fließen des Erregungsstroms in der durch die Pfeile angegebenen Richtung wird eine Magnetflußdichtenverteilung, wie in Fig. 2B gezeigt, hergestellt. Eine Rotorwicklung, die durch die Flußdichte, wie in Fig. 2B dargestellt, rotiert wird, hat eine generierte Spannung, wie in Fig. 2C gezeigt. Es kann aus den Fig. 2B und 2C ersehen werden, daß die Benutzung einer primären oder Grund-Erregungswicklung alleine einen Spannungsimpuls mit einer signifikanten Variation in seiner Größe generiert.
Fig. 1A zeigt einen Gramme-Ring, auf dem mehrere Feldspulen angeordnet sind. In benachbarten Spulen fließen die Ströme in entgegengesetzten Richtungen, wie dies durch die Pfeile gezeigt ist, womit ein Flußmuster erzeugt wird, das alternativ nach innen und nach außen durch die Abstände zwischen den Spulen gerichtet ist, womit auf diese Weise die Verbindung zwischen der Erregung und dem Rotor verbessert wird. Fig. 1B zeigt die Wellenformen für die Flußdichte ß und für die induzierte EMK in dem Rotor, welche sich aus den Erregerspulen nach Fig. 1A ergeben.
Für den rechteckigen flachen Stromimpuls sind die zweite und die vierte Harmonische in der gewünschten Erregungsflußverteilung vorherrschend. Diese beiden Harmonischen liegen in der Flußverteilung nach Fig. 2B vor und werden durch die Halbteilungs- und Viertelteilungs-Wicklungen in Verbindung mit den Grund- oder Vollteilungswicklungen generiert. Eine Halbteilungswicklung ist eine solche, die sich über einen polaren Winkel erstreckt, der sich über die Hälfte des Winkels erstreckt, über den sich die Grundwicklung erstreckt. Dementsprechend ist eine Viertelteilungswicklung eine solche, die sich über einen polaren Winkel erstreckt, der ein Viertel des Winkels beträgt, über den sich die Grundwicklung erstreckt. Wenn sich so beispielsweise die Grundwicklung über 180º erstreckt, dann erstreckt sich die Halbteilungswicklung über 90º, während sich die Viertelteilungswicklung über 45º erstreckt. Dies wird besser durch Berücksichtigung einer Eisenkernmaschine dargestellt.
Für einen ausgeprägten Pol oder eine konzentrierte Feldwicklung, wie in Fig. 3A dargestellt, verläuft die radiale Flußdichtenverteilung wie in Fig. 3A dargestellt. Diese Verteilung ist dieselbe für alle Pole der Maschine. Diese konzentrierte Feldwicklung wird die Vollteilungs-Vollamplitudenwicklung genannt und ist die Grundwicklung. Wenn zusätzlich zu der Wicklung eine Halbteilungs-Halbamplituden- und eine Viertelteilungs-, Viertelamplitudenwicklung vorgesehen werden, so ist die sich ergebende radiale Flußdichtenverteilung so wie in Fig. 3B dargestellt. Fig. 3C zeigt die Komponentenflußdichtenverteilung, die jeweils von der Voll-, Halb- und Viertelteilungswicklung vorgesehen ist. Somit haben die Halbteilungs- Halbamplituden- und Viertelteilungs- Viertelamplitudenwicklungen den Effekt, die radiale Flußdichtenverteilung zu ändern, die sich aus den Feldwicklungen ergibt, und demgemäß die induzierte EMK in dem Rotor zu ändern, der durch den resultierenden Magnetfluß rotiert wird.
Selbstverständlich können die Amplitude des Erregungsstromes in den Halbteilungs- und Viertelteilungswicklungen variieren und müssen nicht die Hälfte und ein Viertel der Amplitude des Stromes in der Vollteilungs-Wicklung betragen. Die Amplituden des Stromes in jeder Wicklung können unabhängig voneinander sein mit einer entsprechenden Unabhängigkeit der Größen der Komponenten der Flußdichtenverteilung. Die resultierende Flußverteilung wird demgemäß geändert.
Die Halbteilungs- und Viertelteilungs-Wicklungen können an Positionen angeordnet sein, die den Vollteilungs-Wicklungen entsprechen oder sie können um einen beliebigen gewünschten Winkel und um einen beliebigen gewünschten Abstand versetzt sein. Jene Parameter sowie der polare Winkel zwischen den Vollteilungs-, Halbteilungs- und Viertelteilungs- Wicklungen werden durch die gewünschten Ausgabeimpulscharakteristiken bestimmt sein. Weiterhin wird eine Variation in der Anzahl der Vollteilungs-, Halbteilungs- und Viertelteilungswicklungen unterschiedliche Magnetflußmuster ergeben und die Anzahl eines jeden Wicklungstyps kann von der Anzahl jedes anderen Typs abweichen. Für die flachen Stromimpulse sind die Halbteilungs- und Viertelteilungswicklungen vorzugsweise an Positionen angeordnet, die den Vollteilungs-Wicklungen entsprechen und gleiche Abstände sind zwischen ihnen vorgesehen. Diese bevorzugte Ausführungsform wird detailliert unten beschrieben.
Obwohl die verschiedenen Feldwicklungen für eine bestimmte Maschine entwickelt werden und in diese eingebaut werden, kann ihre Benutzung selektiv gesteuert werden, um ein zusätzliches Anpassen an Kundenwünsche hinsichtlich der Magnetflußdichte vorzusehen und damit auch der Ausgabeimpulswellenform.
Nachdem das Grundmagnetflußmuster gebildet worden ist, beispielsweise durch selektive Konfiguration der verschiedenen Feldwicklungen, kann eine Rotorwicklung hindurchrotiert werden, um eine Spannung in der Rotorwicklung zu generieren. Wenn jedoch eine Last mit dem Rotor verbunden ist und ein elektrischer Strom zu fließen beginnt, werden Verluste wegen der Impedanz des Rotors auftreten. Eine zu dieser Impedanz beitragende Komponente ist das magnetische Feld, das in der Nachbarschaft des Rotors wegen des Stromflusses durch die Rotorwicklung generiert wird. Ein Ergebnis der Verluste ist ein Absinken in der Ausgabespannung und ein entsprechendes Absinken in dem Ausgabestrom. Aktive oder passive Kompensation kann angewendet werden, um den Verlusten in dem Rotor aufgrund des durch den Stromfluß generierten Magnetfeldes entgegenzuwirken.
Fig. 4 zeigt, daß die aktive Kompensation unter Benutzung einer zusätzlichen Wicklung auf dem Rotor als eine Kompensationswicklung die gewünschte Spannungs- und Stromimpulsformen erzielen kann. Aktive Kompensation bedeutet lediglich, daß ein elektrischer Strom durch die Kompensationswicklung fließt, um aktiv ein magnetisches Feld zu generieren, das dasjenige kompensiert, das durch den Rotorstrom aufgebaut worden ist.
Wie bereits festgestellt, zeigt das U.S.-Patent Nr. 4,200,831 (Weldon et al.) eine Kompensationswicklung (9), die benutzt wird, um dem magnetischen Feld entgegenzuwirken, das durch den Stromfluß in der Rotorwicklung (5) hergestellt worden ist, wobei effektiv die Impedanz des Rotors in der Nähe des Endes des Ausgabeimpulses verringert wird. Die typische Kompensationswicklung für eine derartige Anwendung ist identisch der Rotorwicklung hinsichtlich der Konfiguration. Kompensation erzielt Kompression des Magnetflusses. Jedoch kann eine Variation zwischen der Rotorwicklung und der Kompensationswicklung zu einer Überkompensation oder zu einer Unterkompensation führen und eine selektive Kompression des Magnetflusses in dem Generator erzielen. Eine Magnetflußkompression ergibt sich, wenn zwei parallele Leiter; die Strom in entgegengesetzten Richtungen führen, gezwungen werden, sich einander anzunähern. Die entsprechenden Magnetfelder tendieren dazu, einander abzustoßen und die Flußlinien werden komprimiert. Die Kompensationswicklung wird zwischen dem Feld und dem Rotor angeordnet und wird eine Kompression des Magnetflusses zwischen dem Feld und dem Rotor bewirken.
Das Flußkompressionsmuster; das letztendlich die Impulsform bestimmt, kann durch Variieren der polaren Teilung, der Phasenverschiebungsverteilung und der Drehdichte für die Kompensationswicklung gesteuert werden. Das heißt, daß eine größere polare Teilung auf der Wicklung eine graduellere Wirkung auf die induzierte EMK in dem Rotor erzeugt und eine geringere Teilung bewirkt einen abrupteren Wechsel in der EMK, wenn der Rotor die Feldwicklung durchläuft. Weiterhin kann die Benutzung der Kompensationswicklung selektiv gesteuert werden, womit eine größere dynamische Steuerung der Ausgabeimpulswellenform vorgesehen wird.
Die Kurven für die generierte Spannung in dem Rotor bei Vorliegen einer passiv kompensierenden Abschirmung sind in den Fig. 2C und 4 dargestellt. Mit einer nicht gleichmäßigen Abschirmung kann eine fast kundenangepaßte Impulsform erreicht werden. Der nicht gleichmäßige Aufbau bezieht sich auf die Tatsache, daß die Abschirmung aus Hochleitungsbereichen hergestellt ist, die mit Teilen niedriger Leitfähigkeit oder sogar Löchern abwechseln, die mit Isolationsmaterial gefüllt werden können. Der Magnetfluß ist eingeschlossen und in dem Hochleitungsbereich der Abschirmung komprimiert und der Rotorwicklungsbereich, der durch diesen Teil der Abschirmung abgedeckt ist, hat eine niedrige interne Impedanz. Der Fluß entwickelt sich frei in dem nichtleitenden Teil der Abschirmung und der Bereich der Rotorwicklung, der durch diesen nicht leitenden Teil der Abschirmung abgedeckt ist, hat eine hohe interne Impedanz. Die Abschirmung ist vorzugsweise stationär hinsichtlich der Feldwicklungen und wird hinsichtlich des Rotors rotieren. Daher werden die leitenden Bereiche der Abschirmung rotieren, um die sich konstant verändernden Bereiche des Rotors abzudecken. Die Zeitänderung der Kombination von geringer und hoher interner Impedanz erlaubt die Herstellung jeder gewünschten Impulsform für die Spannung und für den Strom der Maschine. Eine Abschirmungskonfiguration, die benutzt werden kann, um den rechteckigen flachen Stromimpuls zu generieren wird unten detailliert beschrieben.
Da eine Entwurfsvariante für die Abschirmung eine Käfigläuferstruktur ist, kann die nicht gleichmäßige Abschirmversion der Kompensation durch eine nicht gleichmäßige Teilung zwischen verschiedenen Längsstangen des Käfigläufers erzielt werden, oder durch eine Kombination von Hochleitungs- und Niedrigleitungsstangen.
Die Konfiguration der Rotorwicklungen selbst wird eine Wirkung auf das Einschließen und das Komprimieren des Magnetflusses haben, allein oder in Verbindung mit Erregerwicklungen, Abschirmungs- und Kompensationswicklungen. Beispielsweise kann ein symmetrisches Erregungsfeld in einer traditionellen Weise generiert werden und eine nicht symmetrische Rotorwicklung kann durch das Feld rotiert werden. Die Konfiguration der Rotorwicklung wird die Wellenform des Ausgabespannungsstroms bestimmen.
Die Rotorwicklungen können eine Kombination von Spulen mit Wellen- und Überdeckungswicklungen sein, die unterschiedliche Spulenteilungen wie in Fig. 5 gezeigt haben. Die nicht symmetrische Struktur der Wicklungen sieht weiterhin eine Einrichtung zum Formen des Spannungs- und des Stromimpulses vor, im wesentlichen aufgrund der ungleichen Magnetflußverbindung unterschiedlicher Spulen. Als ein Beispiel ist eine einfache Version einer Rotorwicklung für eine Maschine mit flachem Stromimpuls in Fig. 6A dargestellt. Fig. 6B zeigt die entsprechende Kompensationswicklung.
Die verschiedenen oben diskutierten Verfahren zum Generieren eines angepaßten Magnetflußmusters können allein oder in Kombinationen benutzt werden. Wenn sie in Kombinationen benutzt werden, werden die Winkel zwischen den Erregungsspulen, den Ankerspulen, Kompensationsspulen und der Abschirmung, sowie deren Kombinationen entsprechend der Dauer, der Form und der Amplitude des gewünschten Impulses bestimmt.
Da eine impulsgenerierende Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ein elektromechanischer Konverter mit Trägheitsenergiespeicherung ist, wird dieser während hoher Energieimpulse abgebremst, womit die Form des Impulses entsprechend modifiziert wird. Die oben beschriebenen Verfahren können benutzt werden, um diese Abbremmsungseffekte zu kompensieren oder sie können benutzt werden, um sie zu akzentuieren, in Abhängigkeit der gewünschten Impulscharakteristiken.
Eine Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann topologisch mit der Erregung entweder auf dem äußeren oder auf dem inneren Teil aufgebaut werden. Weiterhin kann entweder der äußere Teil oder der innere Teil rotieren. In einer weiteren möglichen Konfiguration rotieren sowohl die Erregung als auch der Rotor. Die Maschine kann auch in einer Scheiben- oder Trommelkonfiguration aufgebaut werden.
Die bevorzugte Ausführungsform des hochenergieimpulsformenden Generators ist eine passiv kompensierte elektrische Maschine, wobei die Kompensation von einer nicht gleichmäßig verteilten Abschirmung auf dem Rotor abgeleitet wird. Die Erregung ist durch verschiedene Feldwicklungen vorgesehen, die angeordnet sind, um die zweite und vierte Harmonische in dem Magnetfeld und in der in der Rotorwicklung induzierten EMK zu erzeugen. Der Generator wird 77 MJ kinetischer Energie speichern und in 4,6 ms entladen, einen Strom von 5,45 MA an ein Schienengeschütz in einem fast rechteckigen Impuls abgeben. Das Schienengeschütz ist entworfen, um eine Masse von 12 kg auf eine Geschwindigkeit von 2 km/s bei einer konstanten Beschleunigung von 5,8·10&sup5; m/s² aufgrund der Stromkonstanz zu beschleunigen. Der Querschnitt durch den Rotor des Generators in Fig. 7 zeigt die relative Anordnung der Erregungswicklungen A und B sowie der Abschirmung.
Die Erregungsspulen des Systems A sind als ein Gramme-Ring (siehe Fig. 2A) konfiguriert und sehen die Mehrzahl der geforderten Erregungsamperedrehungen vor. Die Abstandsverteilung des Magnetflusses ist wie in Fig. 2B gezeigt und eine Rotorspannung der in Fig. 2C gezeigten Form wird generiert. Die Erregungsspulen des Systems A sind Spulen mit konzentrierten idealen Wicklungen (lumped winding) oder mit konzentrierten Wicklungen (contrated winding).
Das heißt, daß der polare Winkel, der der Spule gegenüberliegt, sehr klein ist, da die Spulenleiter eher aufeinander "aufgestapelt" sind als auf einer verteilten Wicklung "ausgespreizt" sind. Die Teilung der Spulen des Systems A nach Fig. 7 d. h. die Entfernung von einem Pol zum nächsten, ist 180º und sie stellen Vollteilungs- oder Grundwicklungen dar. Die Erregungsspulen des Systems B sehen eine zusätzliche magnetmotorische Kraft (mit starken zweiten und vierten Harmonischen) vor; um die induzierte Spannung in dem Rotor in der anfänglichen Periode des Impulses zu erhöhen, um eine hohe Anstiegsrate des Stroms in der Last zu erzielen und um den Spannungsabfall und die elektromotorische Rückschlagskraft in dem Schienengeschütz zu kompensieren. Die Spulen des Systems B sind verteilte Wicklungen und der polare Winkel zwischen den Wicklungen ist so, daß zweite und vierte Harmonische in dem Erregungsmagnetflußmuster bezüglich der Grundwicklungen erzeugt werden. Die Richtung des Erregungsstromflusses in den Spulen des Systems B ändert sich von einem "Schenkel" zu dem nächsten, wobei Flußlinien in entgegengesetzten Richtungen aufgebaut werden. Die Beabstandung zwischen den Spulenwicklungen und die Richtung des Stromflusses sind die primären Bestimmungsparameter der erzeugten Harmonischen, was oben diskutiert wurde. Die Spulen des Systems B erzeugen ungefähr 18% der magnetmotorischen Kraft der Spulen des Systems A.
Die Magnetflußdichteverteilung, die sich aus der Überlagerung der Spulen des Systems A und des Systems B nach Fig. 7 ergeben, ist dreieckig in ihrer Form und wie in Fig. 1B dargestellt. Die in der Rotorwicklung induzierte EMK, welche durch eine solche Flußverteilung induziert wird, wird die in Fig. 1B gezeigte Form haben. Wie oben diskutiert wurde, wird die Verbindung einer Last mit dem Rotor bewirken, daß ein elektrischer Strom, in der Rotorwicklung fließt und Verluste werden auftreten, die die Ausgabespannung und Stromwellenformen deformieren.
Um eine höhere Gleichförmigkeit des rechteckigen Impulses zu sichern, umgibt eine Aluminiumabschirmung die Feldspulen und ist bezüglich dieser Spulen fixiert. Zwei Paare Längsschlitz (C und D) sind in die 1,5 cm dicke Aluminiumabschirmung geschnitten. Jeder Schlitz in dem ersten Paar ist 30º breit und sein Zentrum ist ungefähr 25º von dem Zentrum einer Erregerspule des Systems A versetzt. Jeder Schlitz in dem zweiten Paar erstreckt sich über einen Bogen von ungefähr 15º und sein Zentrum ist um ungefähr 55º von dem Zentrum eines Schlitzes in dem ersten Paar versetzt. Diese nicht gleichmäßig verteilte Abschirmung komprimiert den Magnetfluß in der Nachbarschaft einer leitenden Gebiete und erlaubt, daß sich der Fluß frei in seinen nichtleitenden Gebieten entwickelt. Die Magnetflußdichtenverteilung ist dann "dynamisch" in einer vorhersagbaren Weise geändert, wenn die Feldspulen und die Abschirmung auf dem Rotor rotiert werden.
Die Ankerwicklung ist auf dem Stator und ist eine reguläre Vollteilungsüberdeckungswicklung. Der Stator trägt zusätzlich eine 3-Phasen-Wicklung, die zur Selbsterregung des Generators benutzt wird. Die Erregerwicklungen können jedoch separat von einer oder mehreren Leistungsquellen erregt werden.
Die Ausgangsstromimpulsform ist in Fig. 8 gezeigt. Der Strom, der dem Schienengeschütz zugeführt wird, ist 5,45·10&sup6; A (Fig. 2) für eine Dauer von 4,6·10&supmin;³ s, mit einem steilen Anstieg und einem plötzlichen Abfall. Die Variation in der Amplitude oder die Welligkeit des Stroms während des Starts ist weniger als 5%. Wenn die Schlitze C und D in der Abschirmung breiter gemacht werden, wenn sie enger zueinander oder wenn sie weiter voneinander gemacht werden, wird die Ausgabestromimpulsform mehr Welligkeit aufweisen als in der in Fig. 8 gezeigten Form. Die "Neigung" (dip) im Zentrum der Wellenform wird größer sein und die kurze einschwing-Abweichung (bump) wird versetzt sein. Das Ergebnis wird eine größere Variation an der höchsten Stelle der Ausgabewellenform sein, obwohl dieses Ergebnis in Abhängigkeit von der Anwendung wünschenswert sein kann.
Es versteht sich, daß Variationen in der beschriebenen Ausführungsform entwickelt werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

1. Impulsbildender Generator zum Erzeugen von Strom- und Spannungsimpulsen, der aufweist:

eine Erregerfeldwicklung zum Erzeugen eines Magnetflusses;

eine Kompensationseinrichtung zum Komprimieren des Magnetflusses; und

eine Ankerwicklung, die durch den Magnetfluß drehbar ist, um einen elektrischen Ausgangsimpuls zu erzeugen;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Kompensationseinrichtung in ausgewählten Flächen relativ zu ausgewählten anderen Flächen angeordnet ist, um ein nicht gleichmäßiges oder nicht symmetrisches Flußmuster zu bilden:

wobei die Anordnung dergestalt ist, daß der elektrische Ausgangsimpuls eine vorbestimmte Form in Abhängigkeit von dem Muster des nicht-gleichmäßigen und nicht-symmetrischen Flußmusters aufweist.

2. Generator gemäß Anspruch 1, der weiterhin aufweist:

eine Grunderregerwicklung und eine Vielzahl von harmonisch verteilten Feldwicklungen zum Erzeugen von Grund- und harmonischen Magnetflußkomponenten als Reaktion auf den Erregerstromfluß da hindurch, wobei jede der Vielzahl von harmonisch verteilten Feldwicklungen eine polare Teilung aufweist.

3. Generator gemäß Anspruch 2, wobei die Amplitude des Erregerstromes in jeder harmonisch verteilten Wicklung unabhängig von der Amplitude des Erregerstromes in jeder anderen der Vielzahl von harmonisch verteilten Wicklungen und unabhängig von der Amplitude des Erregerstromes in der Grundwicklung ist.

4. Generator gemäß Anspruch 2, wobei der polare Abstand jeder harmonisch verteilten Wicklung unabhängig von dem polaren Abstand jeder anderen der Vielzahl von harmonisch verteilten Wicklungen ist.

5. Generator gemäß Anspruch 1, wobei die Kompensationseinrichtung aufweist:

eine nicht gleichmäßige Abschirmung neben der Ankerwicklung und neben der Feldwicklung und mit ausgewählten leitenden Gebieten und ausgewählten nichtleitenden Gebieten, wobei die Abschirmung dazu angepaßt ist, die Verteilung des Magnetflusses im Raum in den ausgewählten leitenden Gebieten relativ zu dem Magnetfluß in den ausgewählten nicht-leitenden Gebieten zu ändern.

6. Generator gemäß Anspruch 5, wobei die Abschirmung zwischen der Ankerwicklung und der Erregerfeldwicklung angeordnet ist.

7. Generator gemäß Anspruch 6, wobei die nicht-leitenden Gebiete Längsschlitze aufweisen, die entlang der Erregerfeldwicklung ausgerichtet sind.

8. Generator gemäß Anspruch 5, wobei der Ausgangsimpuls eine Form hat, die selektiv durch die Konfiguration der leitenden Gebiete und der nicht-leitenden Gebiete der Abschirmung vorbestimmt ist.

9. Generator gemäß Anspruch 1, der weiterhin aufweist:

eine Vielzahl von Erregerfeldwicklungen mit einem nicht gleichmäßigen Abstand dazwischen, wobei jede Feldwicklung zum Erzeugen einer Magnetflußkomponente in Reaktion auf einen dort hindurch gehenden Erregerstrom arbeitet, wobei die Magnetflußkomponenten zu dem nicht-gleichmäßigen oder nicht-symmetrischen Flußmuster beitragen, durch das die Ankerwicklung rotiert wird.

10. Generator gemäß Anspruch 1, wobei die Kompensationseinrichtung eine Kompensationswicklung aufweist, deren Konfiguration von der Konfiguration der Ankerwicklung abweicht und die in Verbindung mit der Ankerwicklung zum Ändern der Form des Ausgangsimpulses arbeitet.

11. Generator gemäß Anspruch i, wobei die Ankerwicklung nicht symmetrisch ist und wobei die Impulsform des weiteren von der Konfiguration der Ankerwicklung abhängt.

12. Generator gemäß Anspruch 11, wobei die Ankerwicklung Spulen mit Wellenwicklungen und Überdeckungswicklungen mit ungleichmäßigen Teilungen aufweist.

13. Impulsbildender Generator; der aufweist:

eine Erregerfeldwicklung zum Erzeugen eines Magnetflusses in Reaktion auf einen dort hindurch gehenden elektrischen Strom;

eine Ankerwicklung, die durch den Magnetfluß drehbar ist, der durch die Erregerfeldwicklung produziert wird, um einen elektrischen Ausgangsimpuls zu erzeugen;

eine Kompensationswicklung zum Zusammenwirken mit der Ankerwicklung, um die Verteilung des Magnetflusses zu ändern und um die Amplitude der Ausgangswellenform zu erhöhen; und

eine leitende Abschirmung, die in beabstandeter Beziehung zu dem Anker montiert ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Abschirmung eine ungleichmäßige Abschirmung ist, die zum Andern der Verteilung des Magnetflusses im Raum in ausgewählten Gebieten relativ zu ausgewählten anderen Gebieten konfiguriert ist, um eine gewünschte elektrische Ausgangsimpulswellenform zu erzeugen.

14. Generator; der aufweist:

einen Rotor und einen Stator zum Erzeugen eines Ausgangsstromes;

einen Vollteilungs-, Überlappungswicklungs-Anker auf dem Stator;

eine im allgemeinen zylindrische leitende Abschirmung auf dem Rotor; und

eine Vielzahl von Primärerregerspulen;

gekennzeichnet durch:

eine Vielzahl von harmonischen Erregerspulen, wobei die Primärerregerspulen als ein Gramme-Ring zum Erzeugen einer Primärerregung angeordnet sind und wobei die harmonischen Erregerspulen zum Erzeugen einer harmonischen Erregung angeordnet sind; und daß

die im allgemeinen zylindrische leitende Abschirmung eine nicht gleichmäßig verteilte leitende Abschirmung ist, wobei die Abschirmung ein erstes Paar (C) und ein zweites Paar (D) von Längsschlitzen darin aufweist, wobei jeder Schlitz des ersten Paares einen Bogen von etwa 30º umspannt mit Mittelpunkten, die etwa 25º von einer Primärerregerspule versetzt sind, und wobei jeder Schlitz des zweiten Paares einen Bogen von etwa 15º überspannt mit Mittelpunkten, die etwa 55º von den Mittelpunkten des ersten Paares versetzt sind;

wobei diese Anordnung einen Ausgangsstrom mit einer im wesentlichen rechtwinkligen Wellenform erzeugt.

15. Generator gemäß Anspruch 14, wobei die harmonische Erregung eine zweite und eine vierte harmonische Erregung aufweist.

16. Verfahren zum Erzeugen von Strom- und Spannungsimpulsen, das die Schritte aufweist:

Aufstellen eines Magnetflußmusters; und

Komprimieren des Musters in ausgewählten Gebieten;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Magnetflußmuster derart aufgestellt wird, daß es Grund- und harmonische Komponenten hat;

was bewirkt, daß die Kompression des Magnetflußmusters in ausgewählten Gebieten relativ zu ausgewählten anderen Gebieten ist, um ein nicht-gleichmäßiges oder nicht-symmetrisches Flußmuster zu bilden; und

Führen einer elektrischen Wicklung durch Gebiete eines komprimierten Flußmusters, um einen Impuls mit einer vorbestimmten Form zu erzeugen.