ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Название	ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР
Разработчик (Авторы)	Носов Г.В.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	166265
Дата регистрации	21.12.2015
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 (нагрузок активного, индуктивного и емкостного типов) мощными импульсами тока.

Известен электромашинный генератор импульсов с двумя обмотками [SU 934888 А1, МПК 5 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 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 этого генератора является наличие скользящих контактов (щеточно-коллекторных узлов), через которые необходимо пропустить в нагрузку весь импульс тока и всю генерируемую энергию.

Известен компульсатор с тремя обмотками [Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. - Л.: Наука, 1985, с. 200-201], содержащий ферромагнитный шихтованный статор с рабочей обмоткой и обмоткой возбуждения, которые имеют одинаковое число пар полюсов р и размещены со сдвигом на угол 90°/р относительно друг друга, и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный ротор с рабочей обмоткой и тем же числом пар полюсов р. Рабочие обмотки ротора и статора выполнены одинаковыми и соединенными последовательно между собой при помощи скользящих контактов (щеток и контактных колец). Параллельно рабочим обмоткам подключены коммутатор с импульсным источником питания (возбуждения) и коммутатор с нагрузкой, а к обмотке возбуждения статора подсоединен источник постоянного тока [Сипайлов Г.А., Лоос А.В., Чучалин А.И. Электромашинное генерирование импульсных мощностей в автономных режимах. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 16-17].

Недостатком компульсатора является необходимость пропустить через скользящие контакты весь импульс тока рабочих обмоток и всю генерируемую энергию, передаваемую в нагрузку.

Известен бесконтактный импульсный генератор с одной обмоткой [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.

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.

Известен бесконтактный компрессионный генератор с одной обмоткой [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 и нагрузка.

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 с несколькими обмотками [RU 103251 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.03.2011], 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 подключен к последовательно или параллельно соединенным между собой обмотке статора и нагрузке.

Однако у этого генератора энергия и мощность импульса тока в нагрузке недостаточны.

Известен бесконтактный вентильно-компрессионный генератор с двумя обмотками [RU 156058 U1, МПК Н02К 39/00 (2006.01), опубл. 27.10.2015], выбранный в качестве прототипа, 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. Замыкатель подключен параллельно к последовательно соединенным импульсному источнику питания и коммутатору. Обмотки статора и ротора выполнены с одинаковым числом пар полюсов, а на валу закреплен вентиль, подключенный к обмотке ротора.

При вращении ротора эквивалентная индуктивность обмотки статора за счет ее экранирования обмоткой ротора с индуцированным током периодически изменяется. При запертом вентиле ротора и совпадении осей обмоток ротора и статора, когда эквивалентная индуктивность обмотки статора максимальна L_max и равна ее собственной индуктивности, 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, незначительному току возбуждения i₀ и малой начальной энергии магнитного поля генератора W₀. При открытом вентиле ротора и противоположном направлении осей обмоток ротора и статора, когда эквивалентная индуктивность обмотки статора минимальна L_min, магнитный поток вытесняется в воздушный зазор и области обмоток статора и ротора. В результате обеспечивается большая кратность изменения эквивалентной индуктивности N=L_max/L_min обмотки статора и существенное значение амплитуды импульса тока i_m~i₀·N в нагрузке.

Однако у прототипа энергия W~W₀·N импульса тока для многих нагрузок недостаточна.

Задачей полезной модели является увеличение генерируемой энергии импульса тока.

Поставленная задача достигается тем, что так же как в прототипе импульсный генератор содержит ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, подключенной к параллельно соединенным замыкателю и коммутатору с импульсным источником питания, причем коммутатор с импульсным источником питания связаны последовательно, и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный ротор с обмоткой, которая подсоединена к закрепленному на валу вентилю так, что обмотка ротора включена согласно с обмоткой статора, причем обмотки статора и ротора выполнены с одинаковым числом пар полюсов р.

Согласно полезной модели, на статоре размещена дополнительная рабочая обмотка с числом пар полюсов р и со сдвигом на угол 90°/р относительно обмотки статора, причем к дополнительной рабочей обмотке последовательно подключен дополнительный вентиль, который подсоединен так, что дополнительная рабочая обмотка включена согласно с обмоткой ротора.

Достигаемый результат поясним, например, при импульсном питании индуктивной нагрузки с индуктивностью L_H1,2 без учета активных сопротивлений при одинаковых для прототипа и полезной модели индуктивностях обмоток и коэффициентах связи между ними, при одинаковом начальном токе возбуждения i₀, одинаковом числе пар полюсов р и одинаковой угловой частоте вращения ротора Ω, причем положение ротора характеризуется углом α=Ωt при времени t≥0.

1. Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор (прототип). Примем, что индуктивность обмотки статора равна L₁, индуктивность обмотки ротора - L₂, коэффициент связи между обмотками - K₁₂<1. Ток i₁ течет в обмотке статора и нагрузке L_H1, а ток i₂ - в обмотке ротора. При угле α=0 и времени t=0 начальные значения токов равны: i₁(0)=i₀; i₂(0)=0. Обозначим:

L_max1, L_min1 - максимальное (при запертом вентиле ротора) и минимальное (при открытом вентиле ротора) значения индуктивности обмотки статора при кратности N₁ ее изменения; L_H1=L_min1 - индуктивность нагрузки прототипа;

W₀₁ - начальная энергия (энергия импульса источника питания).

При взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора

из решения уравнений для потокосцеплений этих обмоток

находим

где I_1m - максимальное значение тока i₁ прототипа при угле α=π/р;

W_H1 - максимальная энергия, переданная в индуктивную нагрузку L_H1.

2. Импульсный генератор (полезная модель). Примем, что индуктивность обмотки статора равна L₁, индуктивность обмотки ротора - L₂, индуктивность дополнительной рабочей обмотки статора - L₃, коэффициент связи между обмоткой статора и обмоткой ротора - K₁₂<1, коэффициент связи между дополнительной рабочей обмоткой статора и обмоткой ротора - K₂₃<1. Ток i₁ течет в обмотке статора, ток i₂ - в обмотке ротора, ток i₃ - в дополнительной рабочей обмотке и нагрузке L_H2. При угле α=0 и времени t=0 начальные значения токов равны: i₁(0)=i₀; i₂(0)=0; i₃(0)=0. На интервале 0<α<β дополнительный вентиль в цепи рабочей обмотки заперт и i₃=0.

Примем следующие взаимные индуктивности между обмоткой ротора и обмотками статора:

тогда на интервале 0<α<β из решения уравнений для потокосцеплений обмотки ротора и обмотки статора

находим токи

При повороте ротора и изменении тока i₂ потокосцепление дополнительной рабочей обмотки статора

Ψ₃=М₂₃·i₂

при угле α=β будет достигать максимального значения

причем для угла β выполняется уравнение

из которого при 0,9≤K₁₂≤0,99 имеем:

При угле положения ротора α=β дополнительный вентиль отпирается и подключает рабочую обмотку статора к нагрузке. Для определения токов при угле α≥β используем уравнения для потокосцеплений

из решения, которых находим ток i₃:

где i_3k и i_3c - компрессионная (обусловленная изменением индуктивности L_Э) и синхронная составляющие тока i₃ соответственно;

L_Э - эквивалентная суммарная изменяющаяся индуктивность дополнительной рабочей обмотки и индуктивной нагрузки при открытом вентиле ротора и открытом дополнительном вентиле.

При параметрах

и угле положения ротора

наблюдается максимум тока i₃ равный I_3m:

В результате получаем

где W_H2 - максимальная энергия, переданная в индуктивную нагрузку L_H2;

 - индуктивность нагрузки полезной модели;

W₀₂ - начальная энергия (энергия импульса источника питания);

N₂ - кратность изменения энергии в индуктивной нагрузке L_H2.

Таким образом, при W₀₁≈W₀₂; K₁₂≈K₂₃; 0,9≤K_12,23≤0,99 из соотношений

следует, что полезная модель по сравнению с прототипом передает в индуктивную нагрузку большую энергию W_H2 импульса тока.

На фиг. 1 схематически изображен импульсный генератор, а на фиг. 2 приведена его электрическая схема. На фиг. 3, 4 показаны характерные расчетные кривые токов i₁, i₂, i₃ и напряжений u₁, u₂, u₃ обмоток импульсного генератора в функции времени t при питании активной нагрузки.

Импульсный генератор (фиг. 1) 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 ротора 4 равно числу пар полюсов (р=2) обмотки 2 статора 1. На валу 3 закреплен вентиль 6, который подключен к обмотке 5 ротора 4 так, что катод и анод вентиля 6 подсоединены соответственно к входному и выходному зажимам обмотки 5. На статоре 1 размещена дополнительная рабочая обмотка 7 с тем же числом пар полюсов р=2, которые имеют обмотки 2 и 5, причем обмотка 7 расположена со сдвигом на угол 90°/р=45° относительно обмотки 2 статора 1. На фиг. 1 пазы статора 1 и ротора 4, в которых расположены обмотки 2, 5 и 7, не детализированы, причем показано положение ротора относительно обмотки статора при угле α=0 и указаны направления токов в обмотках 2, 5, 7: «» - от нас; «» - к нам.

Обмотка 2 статора 1 (фиг. 2) подключена входным зажимом (*) к коммутатору 9, а выходным зажимом - к входному зажиму (-) импульсного источника питания 8, который выходным зажимом (+) связан с коммутатором 9. Замыкатель 10 подключен параллельно к обмотке 2 статора 1 и к последовательно соединенным импульсному источнику питания 8 и коммутатору 9. Дополнительная рабочая обмотка 7 статора 1 соединена последовательно с нагрузкой 12 и дополнительным вентилем 11, который подсоединен так, что дополнительная рабочая обмотка 7 включена согласно с обмоткой 5 ротора 4, например, катод и анод дополнительного вентиля 11 подключены соответственно к входному зажиму (*) дополнительной рабочей обмотки 7 статора 1 и одному из зажимов нагрузки 12, а нагрузка 12 другим зажимом подсоединена к выходному зажиму дополнительной рабочей обмотки 7 статора 1.

В качестве импульсного источника питания 8 может быть использована, например, заряженная конденсаторная батарея. Нагрузка 12 может быть активного, индуктивного или емкостного типа в виде такой электрофизической установки как, например, лампа накачки лазера (активная нагрузка), индуктивный накопитель энергии (индуктивная нагрузка) или емкостный (батарея незаряженных конденсаторов) накопитель энергии (емкостная нагрузка).

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 может быть, например, группа из последовательно-параллельно соединенных тиристоров типа Т253-1250. Замыкатель 10 предназначен для шунтирования обмотки 2 статора 1 при угле α=0 положения ротора 4 и при протекании в обмотке 2 знакопеременного тока. Замыкателем 10 могут быть, например, две встречно-параллельно включенные группы из последовательно-параллельно соединенных тиристоров типа Т253-1250. Дополнительным вентилем 11 может быть, например, группа из последовательно-параллельно соединенных диодов типа Д253-1600 [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].

Импульсный 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 замыканием коммутатора 9 от импульсного источника питания 8 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 Ф₀ и начальную энергию магнитного поля генератора W₀. При угле α≈0 потокосцепление обмотки 5 ротора 4 достигает максимального значения, а напряжение на этой обмотке 5 - нулевой величины. При угле α>0 и отрицательном напряжении на обмотке 5 вентиль 6 открывается и ток i₂ начинает нарастать. Одновременно с открытием вентиля 6 срабатывает замыкатель 10, закорачивая обмотку 2 статора 1 и обеспечивая тем самым возможность большего роста тока i₁ за счет уменьшения сопротивления цепи обмотки 2. При повороте ротора 4 и изменении угла α от 0 до значения β>0 потокосцепление дополнительной рабочей обмотки 7 статора 1, создаваемое током i₂ обмотки 5, будет нарастать от нуля до максимального значения, обеспечивая положительное напряжение на обмотке 7, которое запирает дополнительный вентиль 11 и дает ток i₃=0 в дополнительной рабочей обмотке 7 статора 1 и нагрузке 12. При угле α≈β положения ротора 4 потокосцепление дополнительной рабочей обмотки 7 будет максимально, а напряжение на обмотке 7 равно нулю. При угле α>β дополнительный вентиль 11 отрицательным напряжением на обмотке 7 отпирается и ток i₃ в обмотке 7 и нагрузке 12 нарастает от нулевого значения. В результате происходит преобразование механической энергии вращающегося ротора 4 в электромагнитную энергию W импульса тока i₃, которая тем больше, чем больше начальная энергия магнитного поля генератора W₀ и больше коэффициенты связи обмотки 5 ротора 4 с обмоткой 2 и дополнительной рабочей обмоткой 7 статора 1. Таким образом, электромагнитная энергия W импульса тока i₃ обмотки 7 статора 1 передается в нагрузку 12.

С учетом активных сопротивлений обмоток 2, 5, 7 проведен расчет бесконтактного вентильно-компрессионного генератора (прототип) и импульсного генератора (полезная модель) при следующих одинаковых параметрах: масса - 1500 (кг); диаметр ротора 4 - D=0,318 (м); воздушный зазор между ротором 4 и статором 1 - δ=10^-3 (м); длина ротора 4 (статора 1) - l=0,318 (м); шихтованные ротор 4 и статор 1 изготовлены из листов электротехнической стали марки 2411 толщиной 0,35 (мм); число пар полюсов - р=2; коэффициенты связи между обмоткой ротора 5 и обмотками 2, 7 статора 1 - K₁₂=K₂₃≈0,98; число витков на полюс обмотки 5 ротора 4 - w₂=4; числа витков на полюс обмоток 2, 7 статора 1 - w₁=w₃=3; число оборотов ротора 4 - n=6000 (об/мин); угловая частота вращения ротора 4 - Ω=628 (р/с); кинетическая энергия вращающегося ротора 4 - 1,54 (МДж); период следования импульсов - T=2π/pΩ=5·10^-3 (с); t₀≈T/8=0,625·10^-3 (с) - момент времени, соответствующий углу положения ротора 4, равному α=-Ωt₀=-22,5°, когда импульсный источник питания 8 подключается коммутатором 9 к обмотке 2 статора 1; импульсный источник питания 8 - заряженная конденсаторная батарея емкостью С_1,2, с начальным напряжением U_C1,2 и начальной энергией (энергия импульса возбуждения) W_01,2; на валу 3 прототипа и полезной модели, исходя из возможного режима короткого замыкания, закреплен вентиль 6 в виде группы из 16 параллельно соединенных диодов типа В2-500.

Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор (прототип) с явнополюсным статором 1 и явнополюсным ротором 4 характеризуется такими параметрами: начальная индукция в статоре 1 при угле α=0 положения ротора 4 - В₀≈1,957 (Тл); импульсный источник питания 8 - С₁≈587 (мкФ), U_C1≈2372 (В), W₀₁≈1651 (Дж); начальный ток в обмотке 2 статора 1 при угле α=0 положения ротора 4 - i₀≈3481 (А); начальный магнитный поток в статоре 1 и роторе 4 при угле α=0 положения ротора 4 - Ф₀≈0,156 (Вб).

Импульсный генератор (полезная модель) с неявнополюсным статором 1 и явнополюсным ротором 4 характеризуется такими параметрами: начальная индукция в статоре 1 при угле α=0 положения ротора 4 - B₀≈1,1 (Тл); импульсный источник питания 8 - С₂≈386 (мкФ), U_C2≈1350 (В), W₀₂≈352 (Дж); начальный ток в обмотке 2 статора 1 при угле α=0 положения ротора 4 - i₀≈1310 (А); начальный магнитный поток в статоре 1 и роторе 4 при угле α=0 положения ротора 4 - Ф₀≈0,088 (Вб). Дополнительный вентиль 11, исходя из возможного режима короткого замыкания, содержит 10 диодов типа Д253-1600 в виде группы, в которой 5 параллельных ветвей по 2 последовательно соединенных диода.

Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор (прототип) и импульсный генератор (полезная модель) имеют такие значения энергий W_H1,2 импульса тока (ток i₁ - у прототипа, ток i₃ - у полезной модели):

а) в активной нагрузке R_H≈42 мОм:

прототип - W_H1≈45 кДж;

полезная модель - W_H2≈97 кДж;

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

прототип - W_H1≈33 кДж;

полезная модель - W_H2≈36 кДж;

в) в емкостной нагрузке С_H≈15000 мкФ:

прототип - W_H1≈38 кДж;

полезная модель - W_H2≈120 кДж.

На фиг. 3 и 4 для активной нагрузки R_H≈42 (мОм) приведены результаты расчета в виде характерных для импульсного генератора (полезная модель) временных графиков токов i₁, i₂, i₃ и напряжений u₁, u₂, u₃ обмоток 2, 5, 7 соответственно.

Таким образом, импульсный генератор по сравнению с бесконтактным вентильно-компрессионным генератором имеет в нагрузке большую генерируемую энергию W_H2 импульса тока i₃ при меньшей (начальной) энергии W₀₂ импульса (возбуждения) источника питания.

Формула полезной модели

Импульсный генератор, содержащий ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, подключенной к параллельно соединенным замыкателю и коммутатору с импульсным источником питания, причем коммутатор с импульсным источником питания связаны последовательно, и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный ротор с обмоткой, которая подсоединена к закрепленному на валу вентилю так, что обмотка ротора включена согласно с обмоткой статора, причем обмотки статора и ротора выполнены с одинаковым числом пар полюсов р, отличающийся тем, что на статоре размещена дополнительная рабочая обмотка с числом пар полюсов р и со сдвигом на угол 90°/p относительно обмотки статора, причем к дополнительной рабочей обмотке последовательно подключен дополнительный вентиль, который подсоединен так, что дополнительная рабочая обмотка включена согласно с обмоткой ротора.

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

Оформление наградных документов и заказ каталога