ТРЕХОБМОТОЧНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Название	ТРЕХОБМОТОЧНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
Разработчик (Авторы)	Носов Г.В.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	132274
Дата регистрации	12.03.2013
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"

Описание изобретения

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющейся при вращении ротора индуктивностью обмотки статора и может быть использована для питания электрофизических установок мощными импульсами тока.

Известна конструкция компрессионного генератора [SU 934888 А1, МПК 5 H03K 3/00, опубл. 15.08.1983, БИ №30], содержащая шихтованные ротор и статор с однофазными обмотками, два щеточно-коллекторных узла, соединенных один с началом, а второй с концом роторной обмотки, импульсный источник питания для создания начального магнитного потока в зазоре генератора и нагрузку, соединенную последовательно со статорной обмоткой, один из выводов которой соединен с одним из щеточно-коллекторных узлов. Один вывод импульсного источника питания соединен через коммутатор с нагрузкой, а другой - со вторым щеточно-коллекторным узлом и через замыкатель - с нагрузкой.

Недостатком этой конструкции является наличие скользящих контактов, через которые необходимо пропустить весь импульс тока и всю генерируемую энергию, а также недостаточная максимальная частота следования импульсов тока при минимальном числе пар полюсов обмоток.

Известна конструкция бесконтактного компрессионного генератора [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], содержащая явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, размещенной между полюсами и подключенной к параллельно соединенным импульсному источнику питания с коммутатором и нагрузке с коммутатором, и монолитный явнополюсный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора.

Недостатками этого генератора являются большая величина тока возбуждения и значительная начальная энергия магнитного поля генератора, которые необходимо получить от импульсного источника питания, например, от заряженной конденсаторной батареи.

Известна также конструкция бесконтактного компрессионного генератора [R.U 60807 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.01.2007, БИ №3], содержащая явнополюсный ферромагнитный статор с обмоткой между полюсами и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки, отличающийся тем, что, ротор выполнен с закрепленными между зубцами магнитопроводами.

Недостатком этого генератора является сложность конструкции, обусловленная монолитным явнополюсным ротором сложной формы для надежного крепления шихтованных магнитопроводов, причем такая конструкция ограничивает число оборотов ротора и частоту импульсов следования импульсов тока.

Наиболее близким техническим решением является бесконтактный импульсный компрессионный генератор, выбранный в качестве прототипа [RU 103251 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.03.2011, БИ №9], содержащий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный явнополюсный ротор с размещенными в пазах короткозамкнутыми обмотками, охватывающими ротор, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора.

Недостатком прототипа является недостаточная максимальная частота следования импульсов тока статорной обмотки, определяемая числом пар ее полюсов и числом оборотов ротора.

Задачей полезной модели является повышение максимальной частоты следования импульсов тока статорной обмотки без увеличения числа пар ее полюсов и числа оборотов ротора.

Поставленная задача достигается тем, что так же как в прототипе трехобмоточный компрессионный генератор содержит явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный явнополюсный ротор с размещенными в пазах короткозамкнутыми обмотками, охватывающими ротор, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора.

Согласно полезной модели, ротор выполнен с дополнительной обмоткой возбуждения, число пар полюсов которой p равно числу пар полюсов обмотки статора, причем дополнительная обмотка возбуждения расположена в пазах между полюсами со сдвигом на угол 180°/p относительно короткозамкнутых обмоток ротора.

Достигаемый результат поясним режимом короткого замыкания обмоток трехобмоточного компрессионного генератора без учета их активных сопротивлений.

1. У прототипа при угле положения ротора α=0, когда индуктивность обмотки статора с числом витков w_C максимальна L_max, начальный ток этой обмотки i_C0 и начальный магнитный поток

создаются импульсным источником питания (возбуждения), например, заряженной конденсаторной батареей. При повороте ротора на угол α=180°/p короткозамкнутые обмотки ротора вытесняют магнитный поток Ф₀ в пазы обмотки статора, индуктивность этой обмотки уменьшается до минимального значения L_min, обеспечивая кратность изменения индуктивности

В результате у прототипа ток обмотки статора при угле α=180°/p достигает максимального значения:

причем при дальнейшем повороте ротора до угла α=360°/p ток обмотки статора уменьшается и становится равен начальному току i_C0. При этом максимальная частота следования импульсов тока обмотки статора составляет:

где n - число оборотов ротора в минуту.

2. В предложенной полезной модели при угле положения ротора α=0, когда индуктивность обмотки статора максимальна, начальный ток дополнительной обмотки возбуждения ротора i_B0 е начальный магнитный поток

создаются также импульсным источником питания (возбуждения), например, заряженной конденсаторной батареей, причем дополнительная обмотка возбуждения ротора имеет индуктивность L_B число витков w_B.

Из решения уравнений для потокосцеплений дополнительной обмотки возбуждения ротора

и обмотки статора

находим максимальные значения тока обмотки статора i_C(α) при углах поворота ротора α=180°/p

и α=360°/p

где в функции угла положения ротора α индуктивность обмотки статора:

в функции угла положения ротора α взаимная индуктивность между статорной и дополнительной роторной обмотками:

i_B(α) и i_C(α) - токи дополнительной обмотки возбуждения ротора и обмотки статора в функции угла положения ротора α, причем при α=0 имеем i_B(0)=i_B0 и i_C(0)=0;

 и k<1 - коэффициенты модуляции и связи обмоток генератора соответственно;

L_max=L₀(1+m); L_min=L₀(1-m) - максимальная и минимальная индуктивности статорной обмотки при ее средней индуктивности L₀.

Сравнение максимальных значений токов обмотки статора прототипа (2) и полезной модели (5, 6) при одинаковых начальных магнитных потоках (1) и (4) дает соотношения

где параметр взаимной индуктивности:

Из формулы (7) следует, что при угле α=180°/p амплитуды токов короткого замыкания прототипа i_m1 и полезной модели i_m2 практически одинаковы. Однако при угле α=360°/p, когда у прототипа импульс тока статорной обмотки отсутствует, у полезной модели наблюдается импульс с амплитудой i_m3≈i_m2≈i_m1 при N₂≈2N₁.

В результате у предложенной полезной модели максимальная частота следования импульсов тока обмотки статора будет равна

т.е. из формул (3) и (8) следует, что, по сравнению с прототипом, у полезной модели за счет размещения на роторе дополнительной обмотки возбуждения максимальная частота следования импульсов тока обмотки статора увеличивается в 1,5 раза.

На фиг.1 схематически изображен трехобмоточный компрессионный генератор с числом пар полюсов обмотки статора р=4 при положении ротора, когда угол относительно вертикальной оси α=0, а индуктивность обмотки статора максимальна, причем на фиг.2 приведены расчетные кривые токов при коротком замыкании обмоток этого генератора.

Трехобмоточный компрессионный генератор содержит явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор 1 с обмоткой 2 между полюсами и расположенный на валу 3 ферромагнитный шихтованный явнополюсный ротор 4 с размещенными в пазах короткозамкнутыми обмотками 5, охватывающими ротор 4, число которых равно числу пар полюсов (р=4) обмотки статора 2. На роторе 4 размещена дополнительная обмотка возбуждения 6, число пар полюсов которой (р=4) равно числу пар полюсов обмотки статора 2, причем дополнительная обмотка возбуждения 6 расположена в пазах между полюсами со сдвигом на угол 180°/р=45° относительно короткозамкнутых обмоток 5 ротора 4. Пазы статора 1 и ротора 4, в которых расположены обмотки 2, 5 и 6, на фиг.1 не детализированы.

Трехобмоточный компрессионный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем вал 3 и ротор 4 раскручивается до определенного числа оборотов n в минуту. Далее на дополнительную обмотку возбуждения 6 ротора 4 от импульсного источника питания подается ток i_B(α), который при угле α=0 в момент максимума индуктивности L_max обмотки 2 статора 1 составляет величину i_B(0)=i_B0 и создает начальный магнитный поток Ф₀. По мере поворота ротора 4 его короткозамкнутые обмотки 5 вытесняют магнитный поток в пазы статора 1 обмотки 2 и индуктивность обмотки 2 уменьшается, достигая минимального значения L_min при угле α=180°/p=45°. В результате происходит преобразование механической энергии вращающегося ротора 4 в электромагнитную энергию импульса тока i_C(α) обмотки статора 2 с амплитудой i_m2, которая тем больше, чем больше кратность изменения N₁ индуктивности обмотки 2. Электромагнитная энергия W импульса тока i_C(α) с амплитудой i_m2 передается в нагрузку, которая подключается последовательно обмотке 2. При дальнейшем повороте ротора на угол α=360°/р=90° проводники дополнительной обмотки возбуждения 6 ротора 4 располагаются напротив проводников обмотки 2 статора 1. Обмотки 2 и 6 оказываются включенными встречно, в статорной обмотке 2 генерируется следующий импульс тока i_C(α) с амплитудой i_m3, который тем больше, чем больше коэффициент связи k<1 и больше соответствующий параметр N₂>1.

По сравнению с прототипом полезная модель имеет в 1,5 большую максимальную частоту следования импульсов тока f_m2 статорной обмотки за счет размещения на роторе дополнительной обмотки возбуждения. Согласно расчетам данная полезная модель массой 50000 кг с четырьмя парами полюсов (р=4) и n=3000 об/мин при питании активно-индуктивной нагрузки может иметь: N₂=2N₁=200; i_B0=35,5 кА; Ф₀=4,23 Вб; W₀=152 кДж; i_m2=i_m3=2,75 МА; W≈5,4 МДж; f_m2=300 Гц.

Формула полезной модели

Трехобмоточный компрессионный генератор, содержащий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный явнополюсный ротор с размещенными в пазах короткозамкнутыми обмотками, охватывающими ротор, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора, отличающийся тем, что ротор выполнен с дополнительной обмоткой возбуждения, число пар полюсов которой p равно числу пар полюсов обмотки статора, причем дополнительная обмотка возбуждения расположена в пазах между полюсами со сдвигом на угол 180°/p относительно короткозамкнутых обмоток ротора.

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

Оформление наградных документов и заказ каталога