EP0538556A1 - Electromagnetic accelerator with coils in a flat configuration - Google Patents
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- EP0538556A1 EP0538556A1 EP92111110A EP92111110A EP0538556A1 EP 0538556 A1 EP0538556 A1 EP 0538556A1 EP 92111110 A EP92111110 A EP 92111110A EP 92111110 A EP92111110 A EP 92111110A EP 0538556 A1 EP0538556 A1 EP 0538556A1
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- EP
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- coil
- coil arrangement
- coils
- accelerator
- arrangement
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41B—WEAPONS FOR PROJECTING MISSILES WITHOUT USE OF EXPLOSIVE OR COMBUSTIBLE PROPELLANT CHARGE; WEAPONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F41B6/00—Electromagnetic launchers ; Plasma-actuated launchers
Definitions
- Electromagnetic accelerators can be classified into the group of linear drives with very short operating times. Compared to the conventional design of linear motors, e.g. for traffic applications, extremely high force densities can be achieved with short-term loads.
- the basic concept consists of a coil arrangement for the stationary part and a translator, which also has one or more coils. The energy supply and its supply to the coils must take into account the respective state of motion (position and speed) of the translator. The required electrical power depends on the mechanically determined target data of the acceleration process, i.e. on mass, top speed and acceleration distance.
- the aim of the accelerator form described here is thus an improved field-current interaction which, with minimal mechanical and thermal coil loading, allows a maximum thrust yield and thus a favorable ratio of electrical to mechanical power.
- the coil topology of the accelerator arrangement has a great influence on the effectiveness of the energy conversion.
- the ratio of electrically supplied energy to mechanical energy which is determined by 1 ⁇ 2 mv2, with m the translator mass and v the final speed, can be kept low by a favorable arrangement of the stator and translator coils.
- the ideal case is a value that does not exceed the amount of mechanical energy.
- the translator At the location of the coil S2, the translator, they correspond to a magnetic induction of size B pointing vertically downward. It is characteristic that the symmetry of the stator in two layers and the assumption of equal currents mean that the coil S2 has no B component in x Direction.
- the field-current interaction in S2, which leads to the generation of force, is determined by the full B field of the primary coil arrangement (at the location of the secondary coil). A maximum value of the driving force is thus achieved for a given field.
- the direction of the developed force of the translator coil points only in the direction of the movement.
- the driving force components act equally on one coil side.
- the primary coils experience opposing forces.
- the translator coil moves to the right as a result of the force effect, there are force changes to the extent that the primary induction B and the current of the secondary coil change.
- the change in B depends on the geometry (the ratio of h / w), with a gradual decrease from B to the center of the coil for practically relevant conditions. It is expedient to provide a coil arrangement for the primary part which interacts according to a multi-strand arrangement maintains the primary part as continuously as possible (not shown in the model in Fig. 1).
- the translator coil S2 is located in a primary field B, which has both a radial and an axial component.
- the propulsive force F x is only generated by the radial component of B.
- the axial component B x forms an inward radial force F r . It puts pressure on the spool.
- the outward radial force creates a tensile stress on the primary coil.
- the inductive method is mainly considered for the generation of the secondary current.
- the arrangement according to FIG. 2 also shows that the decrease in the force for larger coil spacings x is greater than in the case of FIG. 1.
- the coil arrangement generally has a larger number of coils, which are activated depending on the x, position-dependent by the translator.
- the power is supplied to the primary coil system as a function of the speed. If, for example, the same driving force is required at the end of the acceleration section as at the beginning, this means that the voltage increases proportionally to the speed given the same coil currents and the same number of turns of the coils. By reducing the number of turns towards the converter output, the required voltage can be made more uniform.
- the translator coil S2 is surrounded by two layers of the primary coil arrangement S1 and S1 '. Since the translator coil S2 serves as a drive component for a payload to be accelerated in an aircraft or a projectile, configuration-related relationships between the coil S2 and the device to be driven must be taken into account.
- 3a shows an obvious form for an overall flat-shaped projectile connected to the coil S2. The cross section of the missile is thus adapted to the geometry of the channel determined by the stator arrangement.
- 3b and 3c indicate that lateral guiding surfaces are used to stabilize the flight of the projectile, for which a corresponding guide is provided in the channel.
- the coil S2 causes compressive forces during acceleration which are exerted by the sides of the coil which run transverse to the movement. Force components acting outwards are exerted on the longitudinal sections of the coil sides. The coil must be supported against the deforming force components.
- FIG. 4a shows an arrangement, in which the secondary coil arrangement connects on two sides to the fuselage of the aircraft and has a connection in its surface area.
- Figure 4b shows the two layers of the primary coils, which have connections across the missile fuselage.
- the coil arrangement is designed in accordance with the basic model of FIG. 1. The arrangement divides in the fuselage area to the extent that the secondary coil is guided on an arc. This means that there is a one-sided interaction on each half side, but due to the symmetry of its interaction intensity, it largely comes close to the optimal conditions.
- FIG. 5a shows a solution in which there are also only short lever arms for the introduction of the coil forces into the fuselage.
- the arrangement again corresponds to the basic idea that was also followed in FIG. 4.
- Cross-sectional drawings of coils and stator structure are shown in FIGS. 5b and 5c.
- the flat channel arrangement can be seen in the outer area in normal form and in the inner area the circular arrangement with parallel flooding.
- the vertically positioned outer coils allow, besides the favorable application of force (with a short lever arm), a compact design of the stator structure.
- Fig. 5c is by a correspondingly cross-section-friendly design of S2 and slightly conical primary coils S1 and S1 ' The requirement for a sufficient cross-section for the power transmission to the fuselage was particularly met.
- FIG. 6 A further variant of the embodiment of the coil arrangement according to the invention which serves to increase the force is shown in FIG. 6.
- the stator coils are divided into three layers, namely S1, S1 'and S1''.
- the current direction of all three layers is the same.
- the translator coil is divided into S2 and S2 'and is located between the three coil layers of the stator.
- the five layers now work together in the sense of an improved, ie higher, intensity of force generation.
- the concept of the simple layer division flowing through in parallel is retained.
- the advantages of the coil division are also lower forces on each coil side.
- FIG. 7 shows in cross-section an arrangement of stator and translator coils with a large-area interaction cross-section and a limited outside diameter.
- the stator has two kidney-shaped inner parts with these surrounding coils and in turn comprises a corresponding translator structure, the outer coils of which are cylindrical.
- the three-layer arrangement of the coils S1, S2, S1 ' can be seen in the outer region, while in the inner region, similar to previous configurations, the double-layer arrangement S1, S2 is present.
- Characteristic of the coil arrangements described is an effectively designed coil configuration outside the payload range of the device to be moved with a short lever arm and a suitable force transmission cross section.
- the course of Primary and secondary coils are closely matched to achieve small effective distances.
- the flight behavior is influenced by the elimination of the drive unit in a favorable sense.
- the drive part can be reused after a targeted braking, e.g. when used for aircraft.
Abstract
Description
Die Beschleunigung von Flugkörpern oder Projektilen mit Hilfe elektromagnetischer Katapulte weist gegenüber herkömmlichen Antriebsverfahren, die auf der Grundlage von Verbrennungsmotoren oder der Anwendung des Explosionsdrucks arbeiten, Vorteile auf. Elektromagnetische Beschleuniger lassen sich in die Gruppe der Linearantriebe mit sehr kurzen Einsatzzeiten einordnen. Im Vergleich zur herkömmlichen Auslegung der Linearmotoren, etwa für Verkehrsanwendungen, sind bei Kurzzeitbelastung außerordentlich hohe Kraftdichten zu erreichen. Das Grundkonzept besteht aus einer Spulenanordnung für den stationären Teil sowie einem Translator, der ebenfalls eine oder mehrere Spulen aufweist. Die Energiebereitstellung und ihre Zuführung zu den Spulen muß den jeweiligen Bewegungszustand (Position und Geschwindigkeit) des Translators berücksichtigen. Die erforderliche elektrische Leistung hängt von den mechanisch bedingten Zieldaten des Beschleunigungsvorgangs, also von Masse, Endgeschwindigkeit und Beschleunigungsstrecke, ab. Sie wird aber auch sehr durch die Wirksamkeit der Umsetzung von elektrischer Energie in mechanische Energie bestimmt. Letzteres ist abhängig von der Intensität der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Feld und den elektrischen Strömen. Die Feld-Strom-Wechselwirkung steht auch in engem Zusammenhang mit den auf die Spulen wirkenden Kräften. Da eine relativ unwirksame Feld-Strom-Wechselwirkung auf die Anwendung erhöhter Ströme führt, werden somit auch verstärkte Verlustprobleme und in deren Folge erhöhte thermische Effekte ausgelöst. Die Ausführbarkeit der Höchstleistungswandler hängt offensichtlich stark von der Intensität der Strom-Feld-Interaktion ab. Bei der bislang hauptsächlich in Betracht gezogenen koaxialen, zylindrischen Spulenanordnung, bei der Statorspulen und Translatorspulen eine kreiszylindrische Anordnung bilden liegen recht ungünstige Verhältnisse vor, die eine wenig effiziente elektromechanische Energieumsetzung zur Folge haben und eine hohe mechanische und thermische Spulenbeanspruchung bedingen.Accelerating missiles or projectiles using electromagnetic catapults has advantages over conventional propulsion methods based on internal combustion engines or the application of explosion pressure. Electromagnetic accelerators can be classified into the group of linear drives with very short operating times. Compared to the conventional design of linear motors, e.g. for traffic applications, extremely high force densities can be achieved with short-term loads. The basic concept consists of a coil arrangement for the stationary part and a translator, which also has one or more coils. The energy supply and its supply to the coils must take into account the respective state of motion (position and speed) of the translator. The required electrical power depends on the mechanically determined target data of the acceleration process, i.e. on mass, top speed and acceleration distance. But it is also very much determined by the effectiveness of the conversion of electrical energy into mechanical energy. The latter depends on the intensity of the interaction between the magnetic field and the electric currents. The field-current interaction is also closely related to the forces acting on the coils. Since a relatively ineffective field-current interaction leads to the use of increased currents, increased loss problems and consequently increased thermal effects are also triggered. The feasibility of the high-performance converters obviously depends strongly on the intensity of the current-field interaction. In the coaxial, cylindrical coil arrangement that has mainly been considered so far, in which the stator coils and translator coils form a circular cylindrical arrangement, there are very unfavorable conditions which result in a less efficient electromechanical energy conversion and result in high mechanical and thermal coil stress.
Ziel der vorliegend ausgeführten Beschleunigerform ist somit eine verbesserte Feld-Strom-Wechselwirkung, die bei minimaler mechanischer und thermischer Spulenbelastung eine maximale Schubausbeute und damit ein günstiges Verhältnis von elektrischer zu mechanischer Leistung erlaubt.The aim of the accelerator form described here is thus an improved field-current interaction which, with minimal mechanical and thermal coil loading, allows a maximum thrust yield and thus a favorable ratio of electrical to mechanical power.
Die nachfolgende Beschreibung mit der Erläuterung durch 7 Bilder sowie der Darlegung der Schutzansprüche zeigt einen zweckmäßigen Lösungsweg für die gestellte Aufgabe.The following description with the explanation by 7 pictures as well as the protection claims shows a practical solution for the given task.
Die Darstellungen der Figuren 1 bis 7 zeigen im einzelnen:
- Fig.1:
- Das Grundmodell der Beschleuniger-Flachspulenanordnung bestehend aus je einer feststehenden Spule S1 und S1' oberhalb und unterhalb der zu beschleunigenden Sekundärspule S2.
- Fig.2:
- Das Vergleichsmodell der koaxialen Spulenanordnung mit feststehender Spule S1 und beweglicher Spule S2.
- Fig.3a:
- Projektil bestehend aus Spule S2 und Nutzlastteil N.
- Fig.3b:
- Fig.3c:
- Angesetzte Leitfläche L mit Führungsschienen.
- Fig.4a:
- Am Flugkörper angesetzte Sekundärspulen und deren leitfähige Verbindung.
- Fig.4b:
- Form der Primär- und Sekundärspulen.
- Fig.5a:
- Angesetzte Sekundärspulen (vertikal bzw. in geknickter Form).
- Fig.5b:
- Fig.5c:
- Form von Primär- und Sekundärspulen.
- Fig.6:
- In drei Schichten aufgeteilte Primärwicklung und Zweischicht-Sekundärspulen.
- Fig.7:
- Zylindrisch gekrümmte Spulenanordnung mit großer Wirkungsfläche.
- Fig.1:
- The basic model of the accelerator flat coil arrangement consisting of a fixed coil S1 and S1 'above and below the secondary coil S2 to be accelerated.
- Fig. 2:
- The comparison model of the coaxial coil arrangement with fixed coil S1 and movable coil S2.
- Fig.3a:
- Projectile consisting of coil S2 and payload part N.
- Fig.3b:
- Fig.3c:
- Attached guide surface L with guide rails.
- Fig.4a:
- Secondary coils attached to the missile and their conductive connection.
- Fig.4b:
- Shape of the primary and secondary coils.
- Fig.5a:
- Attached secondary coils (vertical or kinked).
- Fig.5b:
- Fig. 5c:
- Form of primary and secondary coils.
- Fig. 6:
- Primary winding divided into three layers and two-layer secondary coils.
- Fig. 7:
- Cylindrical curved coil arrangement with a large effective area.
Die Spulentopologie der Beschleunigeranordnung hat, wie bereits erwähnt, großen Einfluß auf die Wirksamkeit der Energieumsetzung. Das Verhältnis elektrisch zugeführter Energie zu mechanischer Energie, die durch ½ mv², mit m der Translatormasse und v der Endgeschwindigkeit bestimmt ist, kann durch eine günstige Anordnung der Stator- und Translatorspulen klein gehalten werden. Der Idealfall ist dabei ein Wert, der den Betrag der mechanischen Energie nicht sehr überschreitet. Aus einer Betrachtung der Modellanordnungen Fig. 1 und 2 lassen sich die wesentlichen Vorteile einer Flachspulenanordnung gegenüber einer koaxialen Spulenkonfiguration darlegen. Fig. 1 stellt die Flachspulenanordnung im Schnitt dar. Die vom Primärstrom der Spulen S1 und S1' erzeugten Feldlinien sind schematisch eingetragen. Sie entsprechen am Ort der Spule S2, des Translators, einer senkrecht nach unten zeigenden magnetische Induktion der Größe B. Es ist charakteristisch, daß durch die symmetrische Anordnung des Stators in zwei Schichten und der Voraussetzung gleicher Ströme die Spule S2 keine B-Komponente in x-Richtung erfährt. Die Feld-Strom-Wechselwirkung in S2, die zur Kraftbildung führt, wird durch das volle B-Feld der Primärspulenanordnung (am Ort der Sekundärspule) bestimmt. Es wird somit bei gegebenem Feld ein Größtwert der Antriebskraft erreicht. Die Richtung der entwickelten Kraft der Translatorspule zeigt ausschließlich in die Richtung der Bewegung. Die Antriebskraftkomponenten wirken gleichmäßig auf je eine Spulenseite. Die Primärspulen erfahren entgegengesetzt wirkende Kräfte. Bewegt sich als Folge der Kraftwirkung die Translatorspule nach rechts, ergeben sich in dem Maße Kraftänderungen, wie die Primärinduktion B und der Strom der Sekundärspule sich ändern. Die Änderung von B hängt von der Geometrie (dem Verhältnis von h/w) ab, wobei für praktisch relevante Voraussetzungen eine graduelle Abnahme von B bis zur Spulenmitte vorliegt. Es ist zweckmäßig eine Spulenanordnung für das Primärteil vorzusehen, die entsprechend einer mehrsträngigen Anordnung die Wechselwirkung zum Primärteil möglichst kontinuierlich aufrecht erhält (im Modell Fig. 1 nicht gezeichnet).As already mentioned, the coil topology of the accelerator arrangement has a great influence on the effectiveness of the energy conversion. The ratio of electrically supplied energy to mechanical energy, which is determined by ½ mv², with m the translator mass and v the final speed, can be kept low by a favorable arrangement of the stator and translator coils. The ideal case is a value that does not exceed the amount of mechanical energy. The essential advantages of a flat coil arrangement compared to a coaxial coil configuration can be explained by considering the model arrangements shown in FIGS. 1 and 2. Fig. 1 shows the flat coil arrangement in section. The field lines generated by the primary current of the coils S1 and S1 'are entered schematically. At the location of the coil S2, the translator, they correspond to a magnetic induction of size B pointing vertically downward. It is characteristic that the symmetry of the stator in two layers and the assumption of equal currents mean that the coil S2 has no B component in x Direction. The field-current interaction in S2, which leads to the generation of force, is determined by the full B field of the primary coil arrangement (at the location of the secondary coil). A maximum value of the driving force is thus achieved for a given field. The direction of the developed force of the translator coil points only in the direction of the movement. The driving force components act equally on one coil side. The primary coils experience opposing forces. If the translator coil moves to the right as a result of the force effect, there are force changes to the extent that the primary induction B and the current of the secondary coil change. The change in B depends on the geometry (the ratio of h / w), with a gradual decrease from B to the center of the coil for practically relevant conditions. It is expedient to provide a coil arrangement for the primary part which interacts according to a multi-strand arrangement maintains the primary part as continuously as possible (not shown in the model in Fig. 1).
Aus Fig. 1 ist weiter zu erkennen, daß die größten Felddichten innerhalb der Spulenanordnung dort auftreten, wo sich das Sekundärteil befindet. Im äußeren Bereich ergibt sich eine Aufweitung des Feldes und damit eine Verringerung von B.From Fig. 1 it can also be seen that the greatest field densities occur within the coil arrangement where the secondary part is located. In the outer area there is an expansion of the field and thus a decrease in B.
Wie der Darstellung von Fig. 2 zu entnehmen ist, ergeben sich für die koaxiale Spulenanordnung deutliche Unterschiede. Die Translatorspule S2 befindet sich in einem Primärfeld B, das sowohl eine Radial- als auch eine Axialkomponente aufweist. Die Vortriebskraft Fx wird jedoch nur von der Radialkomponente von B erzeugt. Die Axialkomponente Bx bildet in Wechselwirkung mit dem Sekundärstrom eine nach innen gerichtete Radialkraft Fr. Sie beansprucht die Spule auf Druck. Für die Primärspule entsteht umgekehrt durch die nach außen wirkende Radialkraft eine Zugbeanspruchung.As can be seen from the illustration in FIG. 2, there are clear differences for the coaxial coil arrangement. The translator coil S2 is located in a primary field B, which has both a radial and an axial component. However, the propulsive force F x is only generated by the radial component of B. In interaction with the secondary current, the axial component B x forms an inward radial force F r . It puts pressure on the spool. Conversely, the outward radial force creates a tensile stress on the primary coil.
Im Vergleich zu der Anordnung nach Fig. 1 sind beim koaxialen Wandler zusätzliche Maßnahmen (z.B. gegen Zugkräfte) zur Aufnahme der Spulenkräfte erforderlich, während bei der Flachanordnung eine Spulenabstützung verlangt wird.Compared to the arrangement according to Fig. 1, additional measures (e.g. against tensile forces) are required to absorb the coil forces in the case of the coaxial converter, while coil support is required in the case of the flat arrangement.
Wie aus dem Vergleich der verschiedenen Anordnungen abgeleitet werden kann und wie durch rechentechnische Untersuchungen bestätigt wird, sind zur Erzeugung bestimmter Vortriebskräfte bei der Anordnung nach Fig. 2 sehr viel größere Ströme notwendig. Dies liegt an der beschriebenen weniger effizienten Feld-Strom-Wechselwirkung, geht aber auch darauf zurück, daß bei der koaxialen Anordnung die Erzeugung des magnetischen Feldes grundsätzlich durch einen größeren magnetischen Widerstand behindert wird. Im Innern der Primärspule S1 wird der im wesentlichen axiale Feldverlauf und der diesem zugeordnete magnetische Widerstand überwiegend durch die (für die Vortriebskraft ineffiziente) Axialkomponente Bx bestimmt. Die Erzeugung des magnetischen Feldes verlangt bei der koaxialen Anordnung auch aus diesen Gründen höhere Ströme.As can be deduced from the comparison of the different arrangements and as confirmed by computational investigations, much larger currents are necessary in the arrangement according to FIG. 2 to generate certain driving forces. This is due to the less efficient field-current interaction described, but is also due to the fact that the generation of the magnetic field is fundamentally hampered by a larger magnetic resistance in the coaxial arrangement. In the interior of the primary coil S1, the essentially axial field profile and the magnetic resistance assigned to it are predominantly determined by the axial component B x (inefficient for the driving force). For these reasons, the generation of the magnetic field in the coaxial arrangement also requires higher currents.
Hohe Primärströme bzw. eine erhöhte Primärspulendurchflutung erfordert unter sonst ähnlichen Verhältnissen auch die Anwendung einer erhöhten Spannung und führt über das erhöhte Produkt Spannung mal Strom auf eine erhöhte Leistung. Durch die ungünstige Topologie bedingt ergeben sich zusätzlich erhöhte thermische Beanspruchungen (durch erhöhte Ströme bzw. Stromdichten) sowie die bereits erwähnten parasitären Kraftwirkungen auf Primär- und Sekundärspulen. Letztere müssen durch Armierungsmaßnahmen, die zu einer erhöhten Festigkeit führen, abgefangen werden. Durch Fasereinlagen verstärkte Spulen besitzen jedoch ungünstige thermische Eigenschaften.High primary currents or an increased primary coil flooding, under otherwise similar conditions, also require the use of an increased voltage and leads to increased output via the increased product voltage times current. The unfavorable topology also results in increased thermal stresses (due to increased currents or current densities) and the parasitic force effects on primary and secondary coils already mentioned. The latter must be intercepted by reinforcement measures that lead to increased strength. However, coils reinforced with fiber inserts have unfavorable thermal properties.
Für die Erzeugung des Sekundärstromes kommt hauptsächlich das induktive Verfahren in Betracht. Auch mit Blick auf dessen Anwendung ist es wichtig, daß die Spulen S1 und S2 so angeordnet sind, daß sie gut gekoppelt sind. Die Ausführung einer Spulenanordnung, bei der S2 von zwei symmetrischen Primärwicklungen S1, S1' eingeschlossen ist und nur geringe Abstände zwischen den Schichten vorhanden sind, ergibt diesbezüglich optimale Verhältnisse. Wegen der bei Fig. 2 fehlenden Symmetrie sind hierbei deutlich ungünstigere Voraussetzungen gegeben. Die Anordnung nach Fig. 2 zeigt auch, daß die Abnahme der Kraft für größer werdende Spulenabstände x stärker ist als im Falle von Fig. 1.The inductive method is mainly considered for the generation of the secondary current. With a view to its use, it is important that the coils S1 and S2 are arranged so that they are well coupled. The execution of a coil arrangement, in which S2 is enclosed by two symmetrical primary windings S1, S1 'and there are only small distances between the layers, results in optimal conditions in this regard. Because of the lack of symmetry in FIG. 2, there are clearly less favorable conditions here. The arrangement according to FIG. 2 also shows that the decrease in the force for larger coil spacings x is greater than in the case of FIG. 1.
Sowohl für Fig. 1 als auch für Fig. 2 ist zu erwähnen, daß die Spulenanordnung im allgemeinen eine größere Zahl von Spulen aufweist, die abhängig von x, positionsabhängig vom Translator aktiviert werden. Zur Erzielung großer Antriebskräfte auf einer längeren Strecke wird dem Primärspulensystem die Leistung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zugeführt. Wird z.B. am Ende der Beschleunigungsstrecke gleiche Antriebskraft wie an deren Beginn gefordert, so bedeutet dies bei etwa gleichen Spulenströmen und gleicher Windungszahl der Spulen eine proportional zur Geschwindigkeit steigende Spannung. Durch Reduktion der Windungszahl zum Wandlerausgang hin kann eine Vergleichmäßigung der erforderlichen Spannung erreicht werden. Zur Vermeidung von Krafteinbrüchen erscheint es weiter zweckmäßig, eine Spulenanordnung zu wählen, bei der analog zur Mehrphasenwicklung das magnetische Feld in gleichbleibender Größe mit dem Translator mitgeführt wird.Both for FIG. 1 and for FIG. 2, it should be mentioned that the coil arrangement generally has a larger number of coils, which are activated depending on the x, position-dependent by the translator. In order to achieve large driving forces over a longer distance, the power is supplied to the primary coil system as a function of the speed. If, for example, the same driving force is required at the end of the acceleration section as at the beginning, this means that the voltage increases proportionally to the speed given the same coil currents and the same number of turns of the coils. By reducing the number of turns towards the converter output, the required voltage can be made more uniform. To avoid force dips, it also appears expedient to have a coil arrangement to choose, in which the magnetic field is carried along with the translator in a constant size analogous to the multiphase winding.
Zur Verstärkung der Wechselwirkung zwischen Feld und Sekundärstrom werden Maßnahmen eingesetzt, die eine Grunderregung des Sekundärteils bereits im Stillstand aufbringen. Mit einer solchen Vorerregung kann im Laufe des Beschleunigungsvorgangs eine höhere Kraftausbeute bei gegebener elektrischer Leistung erzielt werden.To strengthen the interaction between the field and the secondary current, measures are used which bring about a basic excitation of the secondary part even at a standstill. With such a pre-excitation, a higher power yield can be achieved for a given electrical power in the course of the acceleration process.
Bei der Flachspulenanordnung nach Fig. 1 wird die Translatorspule S2 von zwei Schichten der Primärspulenanordnung S1 und S1' umgeben. Da die Translatorspule S2 als Antriebskomponente für eine zu beschleunigende Nutzlast in einem Fluggerät oder einem Projektil dient, sind konfiguratorische Zusammenhänge zwischen der Spule S2 und dem anzutreibenden Gerät zu beachten. Die Fig. 3a zeigt eine naheliegende Form für ein mit der Spule S2 verbundenes insgesamt flachgestaltetes Projektil. Der Flugkörper wird damit im Querschnitt der Geometrie des durch die Statoranordnung bestimmten Kanals angepaßt. Die Fig. 3b und 3c weisen darauf hin, daß zur Flugstabilisierung des Projektils seitliche Leitflächen angesetzt werden, für die im Kanal eine entsprechende Führung vorgesehen ist. Die Spule S2 bewirkt für die Nutzlast des Projektils während der Beschleunigung Druckkräfte, die von den quer zur Bewegung verlaufenden Spulenseiten ausgeübt werden. Auf die Längsabschnitte der Spulenseiten werden nach außen wirkende Kraftkomponenten ausgeübt. Die Spule ist gegen die deformativ wirkenden Kraftanteile entsprechend abzustützen.In the flat coil arrangement according to FIG. 1, the translator coil S2 is surrounded by two layers of the primary coil arrangement S1 and S1 '. Since the translator coil S2 serves as a drive component for a payload to be accelerated in an aircraft or a projectile, configuration-related relationships between the coil S2 and the device to be driven must be taken into account. 3a shows an obvious form for an overall flat-shaped projectile connected to the coil S2. The cross section of the missile is thus adapted to the geometry of the channel determined by the stator arrangement. 3b and 3c indicate that lateral guiding surfaces are used to stabilize the flight of the projectile, for which a corresponding guide is provided in the channel. For the payload of the projectile, the coil S2 causes compressive forces during acceleration which are exerted by the sides of the coil which run transverse to the movement. Force components acting outwards are exerted on the longitudinal sections of the coil sides. The coil must be supported against the deforming force components.
Die Anwendung der Spulenkräfte zur Beschleunigung von Fluggeräten oder Projektilen hat dem Gesichtspunkt zu entsprechen, daß die Krafteinleitung in die Hauptmasse mit ausreichend großem Querschnitt und beherrschbaren mechanischen Spannungen erfolgt. Fig. 4a zeigt eine Anordnung, bei der die Sekundärspulenanordnung zweiseitig am Rumpf des Fluggeräts anschließt und in dessen Oberflächenbereich eine Verbindung aufweist. Hierdurch werden verhältnismäßig günstige Bedingungen für die Krafteinleitung von der Spule in den Rumpf des Flugkörpers erreicht. Die Kraftübertragung läßt sich mit beherrschbaren Spannungen durchführen. In Bild 4b sind die beiden Schichten der Primärspulen gezeichnet, die Verbindungen über den Flugkörper-Rumpf hinweg aufweisen. In den Außenbereichen (außerhalb des Rumpfs) ist dabei die Spulenanordnung entsprechend dem Basismodell von Fig. 1 gestaltet. Im Rumpfbereich teilt sich die Anordnung insoweit, als die Sekundärspule auf einem Kreisbogen geführt wird. Auf jeder Halbseite findet damit eine einseitige Wechselwirkung statt, die aber aufgrund der Symmetrie in ihrer Wechselwirkungsintensität weitgehend den Optimalbedingungen nahe kommt.The application of the coil forces to accelerate aircraft or projectiles has to correspond to the point of view that the force is introduced into the main mass with a sufficiently large cross-section and controllable mechanical stresses. 4a shows an arrangement, in which the secondary coil arrangement connects on two sides to the fuselage of the aircraft and has a connection in its surface area. As a result, relatively favorable conditions for the introduction of force from the coil into the fuselage of the missile are achieved. The power transmission can be carried out with controllable voltages. Figure 4b shows the two layers of the primary coils, which have connections across the missile fuselage. In the outer areas (outside the fuselage), the coil arrangement is designed in accordance with the basic model of FIG. 1. The arrangement divides in the fuselage area to the extent that the secondary coil is guided on an arc. This means that there is a one-sided interaction on each half side, but due to the symmetry of its interaction intensity, it largely comes close to the optimal conditions.
Eine Steigerung der Antriebskraft zur Erzielung höchster Beschleunigungen bei begrenzter Spulenbelastung führt zu einer Vergrößerung der extern am Flugkörper angeordneten Spulenflächen. Um die Überstände zu verringern und gleichzeitig die krafteinleitenden Querschnitte zu vergrößern, erscheint die Anordnung mehrerer Sekundärspulen (in Flugrichtung) hintereinander als geeigneter Ausweg. Hierdurch wird der Luftwiderstandsbeiwert nur wenig beeinträchtigt.An increase in the driving force in order to achieve the highest accelerations with limited coil loading leads to an increase in the coil areas arranged externally on the missile. In order to reduce the overhangs and at the same time increase the force-transmitting cross-sections, the arrangement of several secondary coils (in the direction of flight) one after the other appears to be a suitable way out. As a result, the drag coefficient is only slightly affected.
Fig. 5a zeigt eine Lösung bei der ebenfalls nur kurze Hebelarme für die Einleitung der Spulenkräfte in den Rumpf gegeben sind. Die Anordnung entspricht wieder dem Grundgedanken der auch bei der Fig. 4 verfolgt wurde. Querschnittszeichnungen von Spulen und Statorstruktur zeigen die Fig. 5b und 5c. Hierbei ist im äußeren Bereich die Flachkanalanordnung in Normalform und im Innenbereich die kreisförmige Anordnung mit Paralleldurchflutung erkennbar. Die senkrecht angesetzten äußeren Spulen erlauben neben der günstigen Krafteinleitung (mit kurzem Hebelarm) eine kompakte Gestaltung der Statorstruktur. In Fig. 5c ist durch eine entsprechend querschnittsfreundliche Gestaltung von S2 und leicht konisch angeordneten Primärspulen S1 und S1' der Forderung nach ausreichendem Querschnitt für die Kraftübertragung zum Rumpf besonders entsprochen. Eine der Kraftsteigerung dienende weitere Variante der erfindungsgemäßen Ausbildung der Spulenanordnung zeigt Fig. 6. Hierbei ist gegenüber den Fig. 5b und 5c eine Aufteilung der Statorspulen auf drei Schichten, nämlich S1, S1' und S1'' vorgenommen. Die Stromrichtung aller drei Schichten ist gleich. Die Translatorspule ist in S2 und in S2' aufgeteilt und befindet sich zwischen den drei Spulenschichten des Stators. Die nun insgesamt fünf Schichten wirken im Sinne einer verbesserten, d.h. höheren Kraftbildungsintensität zusammen. Im Mittelbereich wird das Konzept der parallel durchflossenen einfachen Schichtaufteilung beibehalten. Als Vorteil der Spulenaufteilung ergeben sich neben der verbesserten Wechselwirkung und induktiven Kopplung auch geringere Kräfte je Spulenseite.5a shows a solution in which there are also only short lever arms for the introduction of the coil forces into the fuselage. The arrangement again corresponds to the basic idea that was also followed in FIG. 4. Cross-sectional drawings of coils and stator structure are shown in FIGS. 5b and 5c. Here, the flat channel arrangement can be seen in the outer area in normal form and in the inner area the circular arrangement with parallel flooding. The vertically positioned outer coils allow, besides the favorable application of force (with a short lever arm), a compact design of the stator structure. In Fig. 5c is by a correspondingly cross-section-friendly design of S2 and slightly conical primary coils S1 and S1 ' The requirement for a sufficient cross-section for the power transmission to the fuselage was particularly met. A further variant of the embodiment of the coil arrangement according to the invention which serves to increase the force is shown in FIG. 6. In this case, compared to FIGS. 5b and 5c, the stator coils are divided into three layers, namely S1, S1 'and S1''. The current direction of all three layers is the same. The translator coil is divided into S2 and S2 'and is located between the three coil layers of the stator. The five layers now work together in the sense of an improved, ie higher, intensity of force generation. In the central area, the concept of the simple layer division flowing through in parallel is retained. In addition to the improved interaction and inductive coupling, the advantages of the coil division are also lower forces on each coil side.
Die Verbesserungsmaßnahmen für die Feld-Strom-Wechselwirkung haben jeweils auch den Gesichtspunkt der Baubarkeit der Spulenanordnung unter Beachtung ausreichender Festigkeit und Querschnittsgebung für die Krafteinleitung von der Spule zur Struktur (von Flugkörper und Stator) zu entsprechen. Fig. 7 zeigt im Querschnitt eine Anordnung von Stator- und Translatorspulen mit großflächigem Wechselwirkungsquerschnitt und begrenztem Außendurchmesser. Der Stator weist zwei nierenförmige Innenteile mit diesen umgebenden Spulen auf und umfaßt seinerseits eine entsprechende Translatorstruktur, deren äußere Spulen zylinderförmig sind. Im äußeren Bereich ist die Dreischichtanordnung der Spulen S1, S2, S1' erkennbar, während im inneren Bereich, ähnlich wie bei vorausgehenden Konfigurationen, die doppelte Zweischichtanordnung S1, S2 vorliegt.The improvement measures for the field-current interaction must also correspond to the aspect of the buildability of the coil arrangement, taking into account sufficient strength and cross-section for the introduction of force from the coil to the structure (from the missile and stator). FIG. 7 shows in cross-section an arrangement of stator and translator coils with a large-area interaction cross-section and a limited outside diameter. The stator has two kidney-shaped inner parts with these surrounding coils and in turn comprises a corresponding translator structure, the outer coils of which are cylindrical. The three-layer arrangement of the coils S1, S2, S1 'can be seen in the outer region, while in the inner region, similar to previous configurations, the double-layer arrangement S1, S2 is present.
Kennzeichnend für die beschriebenen Spulenanordnungen ist eine wirksam gestaltete Spulenkonfiguration außerhalb des Nutzlastbereiches des zu bewegenden Geräts mit kurzem Hebelarm und geeignetem Krafteinleitungsquerschnitt. Zusätzlich ist eine elektrische Verbindung der angesetzten Spulen über den Nutzlastbereich hinweg vorhanden, die ebenfalls zur Kraftbildung herangezogen wird. Der Verlauf von Primär- und Sekundärspulen ist zur Erzielung kleiner Wirkungsabstände eng aneinander angeglichen. Zur Beschleunigung eines größeren Geräts ist es zweckmäßig, die Verbindung zwischen Spulen und Gerät an mehreren Stellen vorzunehmen, wobei die prinzipiellen Merkmale der hier erwähnten Beispiele bestehen bleiben.Characteristic of the coil arrangements described is an effectively designed coil configuration outside the payload range of the device to be moved with a short lever arm and a suitable force transmission cross section. In addition, there is an electrical connection of the attached coils across the payload area, which is also used to generate force. The course of Primary and secondary coils are closely matched to achieve small effective distances. To accelerate a larger device, it is expedient to make the connection between the coils and the device at several points, the basic features of the examples mentioned here remaining.
Erwähnt sei auch die Möglichkeit, daß die für die Beschleunigung notwendige Spulenanordnung des Translators im Anschluß an den Beschleunigungsvorgang vom Nutzlastteil getrennt wird. Das Flugverhalten wird durch den Wegfall der Antriebseinheit im günstlgen Sinne beeinflußt. Eine Wiederverwendung des Antriebsteils kann nach einer gezielten Abbremsung, z.B. bei Anwendung für Fluggeräte, möglich sein.Mention should also be made of the possibility that the coil arrangement of the translator necessary for the acceleration is separated from the payload part after the acceleration process. The flight behavior is influenced by the elimination of the drive unit in a favorable sense. The drive part can be reused after a targeted braking, e.g. when used for aircraft.
Claims (7)
dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Spulenanordnung mindestens zwei Schichten aufweist zwischen denen die Spulen des beweglichen Teils angeordnet sind und der Abstand zu diesen quer zur Bewegungsrichtung klein gehalten wird.Device for accelerating aircraft and projectiles consisting of a stationary and a movable coil arrangement, the coil plane being arranged parallel to the direction of movement and the coils of the fixed and the movable arrangement having approximately the same coil width in the direction of movement and transversely thereto and the same coil division in the longitudinal direction,
characterized in that the stationary coil arrangement has at least two layers between which the coils of the movable part are arranged and the distance from these transverse to the direction of movement is kept small.
dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnungen der beschriebenen Art extern am Fluggerät angeordnet werden und untereinander elektrisch verbunden sind, wobei die Verbindung so gelegt wird, daß kleine Abstände zu den entsprechend geformten Primärspulen erreicht werden, Fig. 4a, 4b, 5a, 5b, 5c.Accelerator coil arrangement according to claim 1,
characterized in that the coil arrangements of the type described are arranged externally on the aircraft and are electrically connected to one another, the connection being made such that small distances from the correspondingly shaped primary coils are achieved, Fig. 4a, 4b, 5a, 5b, 5c.
dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der angesetzten Spulen geknickt oder gekrümmt ausgeführt werden, Fig. 5, 6 und 7.Accelerator coil arrangement according to the above claims,
characterized in that the surfaces of the attached coils are kinked or curved, FIGS. 5, 6 and 7.
dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulenanordnung in mehr als zwei Schichten und die Sekundärspulenanordnung in mehr als eine Schicht aufgeteilt wird, wobei kleine Abstände zwischen den einzelnen Schichten eingehalten werden, Fig. 6.Accelerator coil arrangement according to the above claims,
characterized in that the primary coil arrangement is divided into more than two layers and the secondary coil arrangement is divided into more than one layer, with small distances between the individual layers being maintained, FIG. 6.
dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Spulenanordnung bereits im Stillstand eine Vorerregung erfährt.Accelerator coil arrangement according to the above claims,
characterized in that the movable coil arrangement undergoes pre-excitation even at a standstill.
dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Wicklungsanordnung im Sinne einer mehrsträngigen Spulenanordnung ausgeführt wird.Accelerator coil arrangement according to the above claims,
characterized in that the fixed winding arrangement is designed in the sense of a multi-strand coil arrangement.
dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Windungen je Spule des feststehenden Systems zum Wandlerende hin abnimmt.Accelerator coil arrangement according to the above claims,
characterized in that the number of turns per coil of the fixed system decreases towards the end of the converter.
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