БЕСКОНТАКТНЫЙ ВЕНТИЛЬНО-КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Название	БЕСКОНТАКТНЫЙ ВЕНТИЛЬНО-КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
Разработчик (Авторы)	Носов Г.В.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	156058
Дата регистрации	05.12.2014
Правообладатель	Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"

Описание изобретения

Полезная модель относится к области электромашинных импульсных генераторов и может быть использована для питания электрофизических установок мощными импульсами тока.

Известен компрессионный генератор [SU 934888 A1, МПК5 Н03К 3/00, опубл. 15.08.1983], содержащий 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 Ф0

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.

При вращении ротора суммарная индуктивность обмоток ротора и статора периодически пульсирует 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 при начальном токе (возбуждения) i₀ и начальной энергии магнитного поля генератора W₀, когда суммарная индуктивность обмоток максимальна L_max, эта кратность N определяет значительную амплитуду импульса тока i_m~i₀·N и существенную генерируемую энергию этого импульса W~W₀·N.

Недостатком этого генератора является наличие скользящих контактов (щеточно-коллекторных узлов), через которые необходимо пропустить в нагрузку весь импульс тока с амплитудой i_m и всю генерируемую энергию W.

Известен бесконтактный импульсный 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], имеющий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, размещенной между полюсами, и монолитный явнополюсный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора.

При вращении ротора индуктивность обмотки статора 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 L_max начальный магнитный поток Ф₀ проходит значительный путь по воздуху между полюсами статора и для его создания требуется большой ток возбуждения i₀, что обуславливает большую начальную энергию магнитного поля генератора W₀. За счет малой величины максимальной индуктивности L_max получается незначительная кратность изменения индуктивности обмотки (N≤10÷20). Однако благодаря большому току возбуждения i₀ и большой величине начальной энергии W₀ получается значительная амплитуда импульса тока i_m~i₀·N и существенная генерируемая энергия импульса W~W₀·N.

Недостатками этого генератора являются большая величина тока возбуждения i₀ и значительная начальная энергия магнитного поля генератора W₀, которые необходимо получить от импульсного источника питания, например, от заряженной конденсаторной батареи.

Известен бесконтактный компрессионный генератор [RU 60807 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.01.2007], содержащий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и расположенный на валу монолитный явнополюсный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены шихтованные магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора. При этом к обмотке статора подключены импульсный источник питания (внешний источник возбуждения) и нагрузка.

Благодаря наличию магнитопроводов значительно уменьшается путь магнитного потока по воздуху в момент максимума индуктивности обмотки статора L_max, что приводит к увеличению максимальной индуктивности обмотки статора L_max, к повышению кратности изменения индуктивности N, к уменьшению тока возбуждения i₀ и к снижению начальной энергии магнитного поля генератора W₀. В результате этот генератор имеет уменьшенный по энергии и мощности импульсный источник питания при той же амплитуде импульса тока i_m и той же генерируемой энергии W по сравнению с бесконтактным импульсным генератором.

Недостатком этого генератора является сложность конструкции явнополюсного ротора, обусловленная необходимостью надежного крепления шихтованных магнитопроводов, что ограничивает число оборотов ротора и, следовательно, мощность генерируемых импульсов тока.

Известен бесконтактный импульсный компрессионный генератор [RU 103251 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.03.2011], выбранный в качестве прототипа, содержащий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу явнополюсный ротор, причем ротор выполнен ферромагнитным шихтованным с расположенными в пазах короткозамкнутыми обмотками, охватывающими ротор, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора. При этом импульсный источник питания (внешний источник возбуждения) подключен к последовательно или параллельно соединенным между собой обмотке статора и нагрузке.

При вращении ротора эквивалентная индуктивность обмотки статора за счет ее экранирования короткозамкнутыми обмотками ротора периодически изменяется. В момент максимума эквивалентной индуктивности L_max обмотки статора начальный магнитный поток Ф₀ замыкается через небольшой воздушный зазор между статором и ротором, что приводит к значительной величине максимальной эквивалентной индуктивности L_max обмотки статора. В момент минимума эквивалентной индуктивности L_min обмотки статора магнитный поток вытесняется в области обмоток статора и ротора. В результате обеспечивается большая кратность изменения эквивалентной индуктивности N=L_max/L_min обмотки статора, незначительный ток возбуждения i₀ и малая начальная энергия магнитного поля генератора W₀ при существенном значении в нагрузке амплитуды импульса тока i_m~i₀·N.

Однако генерируемая энергия и мощность импульса тока в нагрузке недостаточны.

Задачей полезной модели является увеличение в нагрузке генерируемой энергии и мощности импульса тока.

Поставленная задача достигается тем, что так же как в прототипе бесконтактный вентильно-компрессионный генератор содержит ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный ротор с размещенной в пазах обмоткой, к импульсному источнику питания последовательно подключены нагрузка, обмотка статора, коммутатор, который связан с импульсным источником питания, при этом замыкатель подключен параллельно к последовательно соединенным импульсному источнику питания и коммутатору.

Согласно полезной модели, обмотки статора и ротора выполнены с одинаковым числом пар полюсов, а на валу закреплен вентиль, подключенный к обмотке ротора.

Достигаемый результат поясним при импульсном питании индуктивной нагрузки L_H без учета активных сопротивлений обмоток генератора и нагрузки. Примем, что число пар полюсов p, угловая частота вращения ротора Ω, индуктивность обмотки статора L₁, индуктивность обмотки ротора L₂ и коэффициент связи K→1 между обмотками одинаковы для прототипа и полезной модели, причем ток i₁ течет в обмотке статора и нагрузке, а ток i₂ - в обмотке ротора. Положение ротора характеризуется углом α=Ωt и при угле α=0 и времени t=0 начальные значения токов равны: i₁(0)=i₀; i₂(0)=0.

Обозначим:

1. Для прототипа при взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора

из решения уравнений для потокосцеплений обмоток прототипа

находим

где Im₁ - максимальное значение тока i₁ прототипа при угле α=π/2p;

W₁ - максимальная энергия, запасаемая в индуктивной нагрузке L_H прототипа;

Р₁ - средняя генерируемая мощность при периоде следования импульсов тока T₁=π/pΩ.

2. Для полезной модели при взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора

из решения уравнений для потокосцеплений обмоток полезной модели

находим

где I_m2 - максимальное значение тока i₁ полезной модели при угле α=π/p;

W₂ - максимальная энергия, запасаемая в индуктивной нагрузке L_H полезной модели;

Р₂ - средняя генерируемая мощность при периоде следования импульсов тока Т₂=2π/pΩ.

Таким образом, из соотношений

следует, что полезная модель по сравнению с прототипом имеет в индуктивной нагрузке большую генерируемую энергию импульса W₂ и большую среднюю мощность Р₂ импульса тока.

На фиг. 1 схематически изображен бесконтактный вентильно-компрессионный генератор с числом пар полюсов р=2 при угле положения ротора относительно оси обмотки статора α=0, когда магнитные оси обмоток совпадают и их магнитные потоки имеют одинаковое направление, что соответствует согласному включению обмотки статора с обмоткой ротора.

На фиг. 2 приведена электрическая схема бесконтактного вентильно-компрессионного генератора, в которой к импульсному источнику питания последовательно подключены нагрузка, обмотка статора, коммутатор, связанный с импульсным источником питания, при этом замыкатель подключен параллельно к последовательно соединенным импульсному источнику питания и коммутатору, а к обмотке ротора подключен вентиль, причем для обмоток генератора указаны одноименные зажимы (*), в которые входят токи, что соответствует согласному включению обмоток статора и ротора.

На фиг. 3, 4 показаны расчетные кривые токов i₁,i₂ и напряжений u₁, u₂ обмоток бесконтактного вентильно-компрессионного генератора в функции времени t при питании активной нагрузки.

Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор содержит ферромагнитный шихтованный статор 1 с обмоткой 2 и расположенный на валу 3 ферромагнитный шихтованный ротор 4 с обмоткой 5. Число пар полюсов обмотки 5 равно числу пар полюсов (p=2) обмотки статора 2. На валу 3 закреплен вентиль 6, который подключен к обмотке 5 ротора 4 так, чтобы при угле α=0 обмотки 2 и 5 были включены между собой согласно. Пазы статора 1 и ротора 4, в которых расположены обмотки 2 и 5, на фиг. 1 не детализированы.

Импульсный источник питания 7 (И), нагрузка 8 (Н), обмотка 2 статора 1, коммутатор 9 соединены последовательно. К последовательно соединенным импульсному источнику питания 7 (И) и коммутатору 9 параллельно подключен замыкатель 10.

В качестве импульсного источника питания 7 (И) может быть использована, например, заряженная конденсаторная батарея.

Вентилем 6 может быть, например, группа из последовательно-параллельно соединенных диодов типа В2-500, предназначенных для размещения на валах вращающихся роторов электромашинных генераторов. Каждый диод В2-500 выдерживает максимальный (ударный) ток 7,7 кА, обратное напряжение 3000 В и значительные ускорения: длительные до 49000 м/с², действующие вдоль оси симметрии диода в сторону основания диода, и кратковременные до 14700 м/с², действующие перпендикулярно оси симметрии диода. Коммутатором 9 и замыкателем 10 могут быть, например, группы из последовательно-параллельно соединенных тиристоров типа Т253-1250 и диодов типа Д253-1600 соответственно [Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 76-81, 99-104, 161-164, 202-215].

Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем вал 3 и ротор 4 раскручивается до определенного числа оборотов n в минуту. Далее, например, при угле α≈-22,5° на обмотку 2 статора 1 и нагрузку 8 (Н) замыканием коммутатора 9 от внешнего импульсного источника питания 7 (И) подается нарастающий от нулевого значения ток i₁. Этот ток i₁ наводит на обмотке 5 ротора 4 положительное напряжение, которое запирает вентиль 6, т.е. ток i₂ обмотки 5 ротора 4 равен нулю. С ростом тока i₁ от нуля до i₀ при повороте ротора 4 потокосцепление его обмотки 5 увеличивается. При угле α≈0 ток i₁, обмотки 2 статора 1 составляет величину i₁~i₀ и создает начальный магнитный поток Φ=Ф₀ и начальную энергию магнитного поля генератора W₀. В момент максимума потокосцепления обмотки 5 при угле α≈0 и нулевом значении напряжения на обмотке 5 вентиль 6 открывается и ток i₂ начинает нарастать. Одновременно с открытием вентиля 6 срабатывает замыкатель 10, закорачивая импульсный источник питания 7 (И) и обеспечивая тем самым возможность большего роста тока i₁ за счет уменьшения сопротивления цепи обмотки 2 и нагрузки 8 (Н). По мере поворота ротора 4 при увеличении угла α>0 ток i₁ обмотки 2 и ток i₂ обмотки 5 изменяются. В результате происходит преобразование механической энергии вращающегося ротора 4 в электромагнитную энергию импульсов токов i₁, и i₂, которая тем больше, чем больше коэффициент связи К<1 обмотки 2 статора 1 с обмоткой 5 ротора 4. Таким образом, электромагнитная энергия W импульса тока i₁ обмотки 2 статора 1 передается в нагрузку 8 (Н).

Проведен расчет бесконтактного импульсного компрессионного генератора (прототип) и бесконтактного вентильно-компрессионного генератора (полезная модель) с учетом активных сопротивлений обмоток 2, 5 при коэффициенте связи K≈0,98 между ними и кратности изменения эквивалентной индуктивности обмотки 2 статора 1: N=(1-K²)^-1≈25.

При этом в функции времени t взаимные индуктивности между обмотками 2, 5 статора 1 и ротора 4 следующие:

- прототип

- полезная модель

где ω=2πp(n/60) - угловая частота изменения взаимных индуктивностей;

t₀≈T/8=π/4ω - момент времени, соответствующий углу положения ротора 4 равному α=-ωt₀/(p)≈-22,5°, когда импульсный источник питания 7 (И) подключается коммутатором 9 к последовательно соединенным обмотке 2 статора 1 и нагрузке 8 (Н);

L₁, L₂ - индуктивности обмотки 2 статора 1 и обмотки 5 ротора 4 соответственно.

Прототип и полезная модель массой М_Г≈1500 (кг) с двумя парами полюсов (p=2) при n=6000 (об/мин), диаметре ротора 0,318 (м), индукции B₀≈1,96 (Тл) в зазоре между ротором и статором, равном δ=10^-3 (м), при токе i₀≈3400 (А) имеют следующие значения энергий W_1,2 импульсов тока и максимальных мощностей P_m1,2:

а) в активной нагрузке R_H≈42 мОм:

прототип - W₁≈25 кДж; P_m1≈87 МВт;

полезная модель - W₂≈45 кДж; P_m2≈167 МВт;

б) в индуктивной нагрузке L_H≈10,62 мкГн:

прототип - W₁≈14 кДж; Pm₁≈67 МВт;

полезная модель - W₂≈33 кДж;

P_m2≈146 МВт;

в) в емкостной нагрузке C_H≈15000 мкФ:

прототип - W₁≈22 кДж; P_m1≈65 МВт;

полезная модель - W₂≈38 кДж; P_m2≈119 МВт.

На валу полезной модели, исходя из возможного режима короткого замыкания, необходимо закрепить вентиль в виде группы из 16 параллельно соединенных диодов типа В2-500.

На фиг. 3 и 4 приведены результаты расчета для активной нагрузки R_H≈42 мОм в виде временных графиков токов i₁, i₂ и напряжений u₁, u₂ обмоток 2, 5 полезной модели соответственно.

Таким образом, полезная модель по сравнению с прототипом имеет в нагрузке большую генерируемую энергию и большую мощность импульса тока.

Формула полезной модели

Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор, содержащий ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный ротор с размещенной в пазах обмоткой, к импульсному источнику питания последовательно подключены нагрузка, обмотка статора, коммутатор, который связан с импульсным источником питания, при этом замыкатель подключен параллельно к последовательно соединенным импульсному источнику питания и коммутатору, отличающийся тем, что обмотки статора и ротора выполнены с одинаковым числом пар полюсов, а на валу закреплен вентиль, подключенный к обмотке ротора.

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

Оформление наградных документов и заказ каталога