БЕСКОНТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Название	БЕСКОНТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
Разработчик (Авторы)	Носов Г.В.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	75260
Дата регистрации	04.03.2008
Правообладатель	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет

Описание изобретения

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющимися при вращении ротора индуктивностями обмоток статора и может быть использована для питания электрофизических установок мощными импульсами тока с амплитудой до 1 МА и более, например, для питания активно-индуктивной нагрузки, такой как рельсотрон (электромагнитный ускоритель).

Известен компрессионный генератор [Патент SU №934888, МПК Н03К 3/00. - Опубл. 15.08.1983. Бюл. №30], имеющего явнополюсные ферромагнитные ротор и статор с двумя одинаковыми обмотками, которые соединены между собой посредством скользящих контактов (контактные кольца и щетки) и включены через первый коммутатор последовательно с нагрузкой и импульсным источником возбуждения (заряженная конденсаторная батарея). Для увеличения импульсной мощности параллельно импульсному источнику возбуждения и первому коммутатору подключен второй коммутатор, который замыкается после полного разряда батареи, когда ток в обмотках достигнет нужной величины (I₀) и создаст в генераторе требуемый магнитный поток. При вращении ротора суммарная индуктивность этих обмоток периодически изменяется за счет того, что в одном положении ротора обмотки оказываются включенными согласно и имеют максимальную суммарную индуктивность (L_max), а в другом - встречно и имеют минимальную суммарную индуктивность (L_min)- Кратность изменения индуктивности такого генератора N=L_max/L_min достигает сотен единиц и определяет значительную генерируемую энергию и мощность импульса тока в нагрузке. Недостатком этого генератора является наличие скользящих контактов, через которые необходимо пропустить всю генерируемую мощность и весь импульсный ток. Таким образом, амплитуда генерируемого импульса тока (I_m) в нагрузке ограничена пропускной способностью скользящих контактов и соотношением I_m<I₀·N.

Известен бесконтактный компрессионный генератор [Invited the compensated pulsed alternator program - a review / W.L. Bird, W.F. Weldon, B.M. Carder, R.J. Foley - Proceedings of 3 rd IEEE International Pulsed Power Conference, Albuquerque, June 1981, p.134-141],

содержащий явнополюсный ферромагнитный статор с одной рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки. При вращении ротора индуктивность обмотки за счет ее экранирования зубцами ротора периодически изменяется, причем в момент минимума индуктивности (L_min) магнитный поток вытесняется в область обмотки, а в момент максимума индуктивности обмотки (L_max) магнитный поток проходит значительный путь по воздуху между полюсами статора и для его создания требуется большая амплитуда тока возбуждения (I₀).

Недостатками этого генератора являются:

а) большая амплитуда импульса тока возбуждения (I₀), достигающая сотен кА;

б) значительная энергия импульса тока источника возбуждения (w₀=0,5·L_maxI² ₀), которая связана с большой амплитудой тока (I₀);

в) незначительная кратность изменения индуктивности обмотки (N=L_max/L_min<10), которая ограничивает энергию (W) и амплитуду генерируемого импульса тока (I_m) в нагрузке, так как W<W₀·N и I_m<I₀·N.

Наиболее близким техническим решением является бесконтактный компрессионный генератор, выбранный в качестве прототипа [Патент RU №60807, МПК Н02К 57/00. - Опубл. 27.01.2007. Бюл. №3], содержащий явнополюсный ферромагнитный статор с одной рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов обмотки. Параллельно рабочей обмотке подключены через первый коммутатор импульсный источник возбуждения (конденсаторная батарея) и через второй коммутатор нагрузка. Благодаря наличию магнитопроводов значительно уменьшается путь магнитного потока по воздуху в момент максимума индуктивности обмотки статора (L_max), например, в n раз, что приводит к увеличению максимальной индуктивности обмотки статора (L_max) и кратности изменения индуктивности (N) в n раз, к уменьшению амплитуды (I₀) и энергии (W₀) импульса тока возбуждения в n раз при неизменных значениях энергии (W) и амплитуды генерируемого импульса тока (I_m) в нагрузке.

Недостатком прототипа является недостаточная для ряда нагрузок, в частности рельсотрона, амплитуда генерируемого импульса тока (I_m).

Задачей полезной модели является существенное повышение амплитуды генерируемого импульса тока (I_m) в нагрузке.

Это достигается тем, что в бесконтактном трансформаторном компрессионном генераторе, также как в прототипе, содержится импульсный источник возбуждения (конденсаторная батарея) с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой и числом витков w_p, размещенной в открытых пазах между полюсами, к которой подключена через второй коммутатор нагрузка, монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов р рабочей обмотки, где p=2,3,4.... Согласно полезной модели на статоре в тех же открытых пазах размещена обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов р и с числом витков w_В, которое выбрано из условия: w_B>w_p.К обмотке возбуждения через первый коммутатор подключен импульсный источник возбуждения.

Достигаемый результат поясним при импульсном питании индуктивной нагрузки L_H без учета активных сопротивлений обмоток генератора и нагрузки, когда в качестве импульсного источника возбуждения используется заряженная до напряжения U₀ конденсаторная батарея емкостью С. Конструкция бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора такова, что индуктивности обмотки возбуждения L_B(t) и рабочей обмотки L_p(t), а также взаимная индуктивность между этими обмотками M(t) при вращении ротора изменяются одновременно во времени t с периодом T=2π/ω с учетом постоянной составляющей и первой гармоники так:

где L_maxB; L_maxP≈(w_p/w_B)² L_maxB; M_max≈(W_P/W_B)L_maxB - максимальные значения индуктивности обмотки возбуждения, индуктивности рабочей обмотки и взаимной индуктивности соответственно;

L_minB; L_minP≈(W_P/W_B)²L_minB; M_min≈(W_P/W_B)L_minB - минимальные значения индуктивности обмотки возбуждения, индуктивности рабочей обмотки и взаимной индуктивности соответственно;

L=(L_maxB+L_minB)/2 - среднее значение индуктивности обмотки возбуждения;

N=L_maxB/L_minB≈L_maxP/L_minP≈M_max/M_max/M_min - кратность изменения индуктивностей обмоток;

 - коэффициент модуляции индуктивностей обмоток;

ω=2πpf - угловая частота изменения индуктивностей, определяемая частотой вращения ротора (f) и числом пар полюсов (р) обмоток;

t₀ - момент времени после срабатывания первого коммутатора, соответствующий максимальным значениям индуктивностей.

1. Рассмотрим первый интервал времени 0≤t≤t₀, когда в момент t=0 замыкается первый коммутатор при разомкнутом втором коммутаторе. На этом интервале времени при t₀≪T и L_B(t)≈L_maxB, когда конденсаторная батарея емкостью

в момент t=t₀ полностью разряжается, ток в обмотке возбуждения генератора будет равен (фиг.1, кривая 1):

где  - амплитуда тока возбуждения i_B(t).

В момент времени t=t₀, когда индуктивность обмотки возбуждения и ток возбуждения максимальны, начальная энергия, запасаемая в магнитном поле этой обмотки, будет равна 

2. Рассмотрим второй интервал времени t₀≤t≤t₁, когда в момент t=t₀ замыкается второй коммутатор при замкнутом первом коммутаторе. Совместное решение уравнений

;

при известных начальных условиях

,

при потокосцеплениях обмоток генератора

и при практически постоянных индуктивностях (t₁-t₀<t₀)

позволяет определить ток в обмотке возбуждения (фиг.1, прямая 2)

и ток в рабочей обмотке и нагрузке генератора при N»1 (фиг.1, прямая 3)

причем

3. Рассмотрим третий интервал времени t₁≤t≤T, когда в момент t=t₁ при i_B(t₁)=0 первый коммутатор размыкается и отключает источник возбуждения (конденсаторную батарею), причем второй коммутатор замкнут. При известном начальном условии

из решения уравнения

при L_H=L_minP определяем ток в рабочей обмотке генератора и нагрузке (фиг.1, кривая 4)

В момент времени t=t₀+0,5T≈t₁+0,5T, когда индуктивность рабочей обмотки минимальна (L_minP), находим амплитуду генерируемого в нагрузке импульса тока

и энергию, переданную в нагрузку L_H=L_minP:

В свою очередь прототип при питании индуктивной нагрузки L_H=L_minP и тех же значениях начальной энергии W₀ и амплитуды тока возбуждения I₀ имеет

Таким образом, получаем

т.е. заявляемый бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор имеет при одинаковой энергии в w_В/w_Р раза большую амплитуду импульса тока в нагрузке.

На фиг.1 изображены расчетные кривые токов бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора. На фиг.2 схематически изображен бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор с двумя парами полюсов (р=2) при положении ротора, когда индуктивности обмоток максимальны. На фиг.3 приведена электрическая схема бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора.

Бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор (фиг.2) содержит корпус 1, явнополюсный ферромагнитный статор 2 с обмоткой возбуждения 3 и рабочей обмоткой 4, которые размещены в открытых пазах 5, монолитный ротор 6 из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы 7. Обмотка возбуждения 3 с числом витков w_В и рабочая обмотка 4 с числом витков w_Р имеют одинаковое число пар полюсов (р=2, 3, 4, ...), причем w_В/w_Р. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи явнополюсный ферромагнитный статор 2 и магнитопроводы 7 ротора 6 изготовляются шихтованными, т.е. набранными из отдельных изолированных листов электротехнической стали.

Электрическая схема бесконтактного трансформаторный компрессионного генератора (фиг.3) содержит обмотку возбуждения 3 и рабочую обмотку 4, импульсный источник возбуждения 8 (И), первый коммутатор 9, второй коммутатор 10 и нагрузку 11 (Н). К обмотке возбуждения 3 подключены первый коммутатор 9 и импульсный источник возбуждения 8 (И), а к рабочей обмотке 4 подключены второй коммутатор 10 и нагрузка 11 (Н). В качестве импульсного источника возбуждения 8 (И) может быть выбрана заряженная от внешнего источника конденсаторная батарея с первым коммутатором 9 в виде тиристорной группы, а в качестве нагрузки 11 (Н) может быть выбран, например, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности) или рельсотрон со вторым коммутатором 10 в виде проводящего ток ускоряемого тела, которое получает начальную скорость, например, от пороховых газов и замыкает цепь рабочей обмотки 4 в момент максимума ее индуктивности.

Бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем ротор 6 генератора раскручивается до определенного числа оборотов. Коммутаторы 9 и 10 разомкнуты. В момент близкий к максимумам индуктивностей обмоток 3 и 4 первый коммутатор 9 замыкается и импульсный источник возбуждения 8 (И) генерирует в обмотке возбуждения 3 импульс тока возбуждения i_В(t). Далее в момент максимума индуктивностей обмоток 3 и 4 замыкается второй коммутатор 10 и рабочая обмотка 4 подключается к нагрузке 11 (Н). За счет уменьшающейся индуктивности рабочей обмотки 4 начинает нарастать ток i(t) в этой обмотке 4 и нагрузке 11 (Н), причем в момент, когда ток возбуждения i_В(t) становится равным нулю, размыкается первый коммутатор 9 и импульсный источник 8 (И) отключается. В момент, когда ток i(t) становится минимальным, второй коммутатор 10 размыкается и отключает нагрузку 11 (Н). Схема генератора (фиг.3) приходит в исходное состояние и генератор готов к генерированию следующего импульса тока i(t) в нагрузке 11 (Н).

Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и исследований, проведенных автором, имеет при той же энергии импульса в (w_В/w_Р) раза большую амплитуду тока в нагрузке.

Данная полезная модель может быть реализована в виде бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора массой 50000 кг (р=2) для импульсного питания рельсотрона. Такой генератор имеет импульсную мощность до 34000 МВт при следующих расчетных параметрах:f=50 об/с; кинетическая энергия вращающегося ротора 60 МДж; N=120 при индукции магнитного потока 2 Тл; w_В=8 витков; w_Р=2 витка; U₀=25 кВ;

I₀=20 кА; I_m=6,8 MA; W₀=200 кДж; W=10 МДж; длительность импульса тока на половине его амплитуды равна 0,5 мс.

Формула полезной модели

Бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор, содержащий импульсный источник возбуждения (конденсаторная батарея) с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой и числом витков W_ρ, размещенной в открытых пазах между полюсами, к которой подключена через второй коммутатор нагрузка, монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов ρ рабочей обмотки, где ρ=2, 3, 4,..., отличающийся тем, что на статоре в тех же открытых пазах размещена обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов ρ и с числом витков W_B, которое выбрано из условия: W_B>W_ρ, при этом к обмотке возбуждения через первый коммутатор подключен импульсный источник возбуждения.

Изобретение "БЕСКОНТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР" (Носов Г.В.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога