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Leiteranordnung für Hochstromanlagen In bestimmten elektrischen Anlagen,
beispielsweise für das Gebiet der Plasmaphysik, kommen extrem hohe Stromstärken
zur Anwendung. Diese Ströme werden aus Energiespeichern, beispielsweise Kondensatoren,
stoßweise entnommen und einer Last zugeführt, die vorwiegend aus einer einwindigen
Spule besteht. Um extrem hohe Stromscheitelwerte im Moment der Einschaltung zu erreichen,
ist es erforderlich, die allein maßgebenden induktiven Widerstände der Hochstromleitungen
und Sammelschienen äußerst gering zu halten. Es ist bekannt, derartige Leitungen
dadurch niederinduktiv zu machen, daß sie als Koaxialkabel ausgeführt werden. Da
die Stromquelle üblicherweise aus einer Vielzahl von Kondensatoren bzw. Kondensatorbatterien
besteht, werden Koaxialkabel bereits weitgehend als Verbindungsleitungen zwischen
diesen zahlreichen Einzelstromquellen zur Last bzw. einer Sammeleinrichtung benutzt.
Eine Sammeleinrichtung oder Kollektor ist notwendig, da es im Hinblick auf die relativ
geringe räumliche Abmessung der Lastspule unmöglich ist, die zahlreichen Einzelkabel
der Batterien unmittelbar an die Lastspule anzuschließen. Es ist erforderlich, ein
Bauelement zu schaffen, das einerseits genügend Raum zum Anschluß der zahlreichen
Einzelkabel bietet und andererseits den Hochstrom auf einem niederinduktiven Weg
der beschränkt bemessenen Lastspule zuführt. Es ist klar, daß dabei der Energiefluß
eine außergewöhnliche Steigerung der Energiedichte erfährt.
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Bei der Konstruktion eines derartigen Schaltungsbauelementes, das
gemäß seiner Aufgabe als Kollektor bezeichnet wird, muß in erster Linie die bereits
erwähnte Forderung einer extrem kleinen Eigeninduktivität beachtet werden. Weiterhin
sind gewisse Forderungen bezüglich der mechanischen Festigkeit zu beachten, denn
infolge der ungewöhnlich hohen Stromstärken wirken beträchtliche mechanische Kräfte
auf die einzelnen Leiterteile ein, die unter Umständen zu einer Explosion des Bauelementes
führen können. Bei dem Bau derartiger Zwischenbauelemente, die zwischen der vorwiegend
induktiven Last und den kapazitiven Energiespeichern die Energieleitung vermitteln,
ist ferner zu beachten, daß hier ein schwingungsfähiges Gebilde vorliegt. Nach Auslösung
der Entladung tritt eine gedämpfte Schwingung mit einer Frequenz von mehreren tausend
Hertz auf. Diese relativ hohe Frequenz hat in Verbindung mit den extrem hohen Strömen
zur Folge, daß sich ein. beträchtlicher Hauteffekt ausbildet. Die massiv ausgebildeten
Leiterteile führen somit in einer relativ dünnen Oberflächenschicht nahezu den vollen
Strom. Bei Änderung der räumlichen Stromflußrichtung, wie sie insbesondere an den
Anschlußstellen infolge der notwendigen Verkröpfungen bzw. Verschränkungen auftreten,
ergeben sich auf Grund des Hauteffektes an den Übergangsstellen punktförmige Bereiche,
in denen ungewöhnlich hohe Stromdichten auftreten. Diese räumlich engbegrenzten
Bereiche werden stark erwärmt und zeigen deshalb häufig Schmelzerscheinungen, besonders
an Verbindungsstellen.
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Ein beispielhaftes Schema einer Leiteranordnung für Höchstströme,
insbesondere in Forschungsanlagen der Plasmaphysik, ist aus F i g. 1 ersichtlich.
Von einer nicht dargestellten Kondensatorbatterie wird über ebenfalls nicht dargestellte
getriggerte Schaltfunkenstrecken die Lastspule 1 gespeist. Die Länge dieser Spule
ist relativ begrenzt. Zum Anschluß der zahlreichen Kondensatoren ist ein Vielfach
von Koaxialkabeln 2 vorgesehen, die über einen Zwischenkollektor 3 an das
Hauptsammelschienenpaar bzw. an den Hauptkollektor 4 angeschlossen sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Anschlußfahnen der Lastspule 1 unter
Berücksichtigung der oben geschilderten Bedingungen so auszubilden, daß sie die
Funktionen des Zwischenkollektors 3 und gegebenenfalls der Hauptsammelschiene 4
übernehmen. Eine der Haupterfordernisse ist hierbei die Sicherstellung einer möglichst
gleichmäßigen Stromverteilung längs der ganzen Spule. Die Stromzufuhr muß bis unmittelbar
zur Stromschleife der Spule 1 niederinduktiv erfolgen, wobei die auftretenden
hohen
Stromkräfte zu beachten sind. Außerdem soll eine gewisse Spannungsfestigkeit gewährleistet
sein, denn im Moment der Einschaltung liegt wegen des noch im Aufbau begriffenen
Hauptfeldes die volle Spannung der Energiequelle zwischen den einzelnen benachbarten
Leiterelementen. Schließlich müssen die Anschlußfahnen bzw. die Spulenelemente leicht
herstellbare Formen besitzen und die Möglichkeit zum Anschluß einer großen Anzahl
von Koaxialkabeln geben. Endlich sind die Anschlußelemente so zu gestalten, daß
die Lastspule in eine Vielzahl selbständiger Einheiten unterteilt werden kann. Bei
der Aneinanderreihung dieser Einheiten sollen außer der rein additiven Wirkung keine
störenden Nebenwirkungen auftreten.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Leiteranordnung für Hochstromanlagen
zum induktionsarmen Anschluß einer Vielzahl von Einzelstromquellen mittels Koaxialkabel
an eine vorzugsweise spulenförmige Last und besteht darin, daß die Lastspule in
eine Anzahl Teilbereiche unterteilt ist, für die je ein Paar engbenachbarter, sich
zu den Stromquellen hin verbreiternder Anschlußfahnen vorgesehen und an deren breiten
Kanten die Koaxialkabel angeschlossen sind.
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In den F i g. 2 bis 7 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist die gesamte Stromzufuhr in diskrete Bereiche unterteilt,
von denen jeder eine aufgefiederte Strombahn erhält. Die durch die Auffiederung
bedingte ungleiche Stromdichte am spulenseitigen Ende der Anschlußfahne ist nur
auf den jeweiligen Spulenbereich beschränkt und gleicht sich im Mittel über die
ganze Spulenlänge aus. Bezüglich der Anordnung der einzelnen Anschlußfahnen und
ihrer Ausbildung sind mehrere Varianten möglich. Allen Varianten sind außer der
unterteilten Auffiederung noch folgende erfindungsgemäße Merkmale gemeinsam: Sämtliche
Anschlußfahnen haben nur geringen Abstand voneinander, auch dort, wo sich benachbarte
Fahnenpaare teilweise überlappen. Dadurch soll die Aufhebung des resultierenden
Magnetfeldes und eine geringe Induktivität erreicht werden. Dieser Vorgang ist analog
dem Verhalten einer Bifilarwicklung, so daß man die einzelnen Flächen der Anschlußfahnen
auch als Bifilarfiächen bezeichnen kann. Der Anschluß der Koaxialkabel erfolgt ausnahmslos
an den Stirnflächen der Fahnen. Dies ermöglicht die Einbringung von Isolierfolien
zwischen den Anschlußfahnen unter Vermeidung irgendwelcher Bohrungen. Eine hohe
Spannungsfestigkeit ist bis unmittelbar zur Spule sichergestellt.
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In der Ausführungsvariante gemäß F i g. 2 sind die einzelnen Fahnenpaare
gegenseitig etwas versetzt, so daß die Anfänge und Enden der einzelnen Spulenbereiche
einen treppenförmigen Spalt bilden. Die Fahnenpaare können gemäß F i g. 2 -radial
zur Spulenachse gerichtet sein. Mit Rücksicht auf die Bifilarwirkung und auf die
Induktivitätsfreiheit ist es günstiger, sämtliche Anschlußfahnen parallel anzuordnen.
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In einer anderen Ausführungsvariante (F i g. 3) verlaufen die Anfänge
und Enden der einzelnen Spulenbereiche schräg, so daß sie einen schraubenförmigen
Spalt bilden. Die Anschlußfahnen sind sämtlich parallel, was eine keilförmige Abschrägung
der Fahnen zur Voraussetzung hat. Diese Ausführung ist in bezug auf die Spannungsfestigkeit
günstig, da die Kantenabstände von Nachbarfahnen entgegengesetzter Polarität groß
sind.
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F i g. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung mit axial verlaufenden Spulenspalten
und mit verwundenen Anschlußfahnen.
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In der Anordnung gemäß F i g. 5 ist schließlich die Verwindung der
Anschlußfahnen bis zum rechten Winkel vergrößert, wodurch sich noch zusätzliche
Vorteile bezüglich der Raumeinteilung ergeben. Bei den drei letztgenannten Anordnungen,
insbesondere bei der nach F i g. 5, lassen sich alle oberen Fahnenwurzeln zu einer
Hauptkollektorschiene und alle unteren Fahnenwurzeln zu einer zweiten Hauptkollektorschiene
vereinigen, wodurch ein Aufbau gemäß dem Prinzipbild F i g. 1 entsteht. Eine durchgehende
Doppelsammelschiene ist dann wichtig, wenn bei den Versuchsarbeiten einzelne Spulenabschnitte
bzw. Teilbereiche einer sonstigen Last weggelassen werden sollen und die volle Speiseenergie
dem Rest der Last zufließen soll.
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Ein weiteres Merkmal kommt bei der Anordnung nach F i g. 6 hinzu.
Hier verlaufen die Spulenspalte erfindungsgemäß in einer mäanderähnlichen Bahn,
so daß eine Art Verzahnung entsteht. Die Verzahnung verhindert eine Aufbiegung der
Verbraucherspule infolge der hohen elektrodynamischen Kräfte und bildet gleichzeitig
eine gegenseitige Verankerung der Anschlußfahnen. Die Verzahnung kann sich auf die
äußeren Teile der Querschnitte beschränken, um auf der Innenseite der Lastspule
einen gleichmäßigen Luftspalt und damit eine möglichst homogene Feldverteilung zu
erreichen. Die F i g. 7 gibt eine Weiterbildung dieses Prinzips wieder. Die in dieser
Figur gezeigte Anordnung enthält eine symmetrische Verzahnung, die nicht nur die
tangentialen, sondern auch die axialen Kräfte abfängt. Damit kann ein Spulenbereich
völlig abgetrennt und zu einer selbständigen Baueinheit werden, da sie in sich vollständig
entlastet ist. Die Hochstromanlage kann durch einfaches Aneinanderreihen derartiger
Baueinheiten beliebig erweitert werden.