Трехобмоточный компрессионный генератор

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. 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. 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.

Технический результат: повышение максимальной частоты следования импульсов тока статорной обмотки без увеличения числа ее пар полюсов и числа оборотов ротора. 2 ил.

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 =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 =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 =180°/p достигает максимального значения:

причем при дальнейшем повороте ротора до угла =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 =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() при углах поворота ротора =180°/p

и =360°/p

где в функции угла положения ротора индуктивность обмотки статора:

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

i_B() и i_C() - токи дополнительной обмотки возбуждения ротора и обмотки статора в функции угла положения ротора , причем при =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 =180°/p амплитуды токов короткого замыкания прототипа i_m1 и полезной модели i_m2 практически одинаковы. Однако при угле =360°/p, когда у прототипа импульс тока статорной обмотки отсутствует, у полезной модели наблюдается импульс с амплитудой i_m3i_m2i_m1 при N₂2N₁.

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 =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(), который при угле =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 =180°/p=45°. В результате происходит преобразование механической энергии вращающегося ротора 4 в электромагнитную энергию импульса тока i_C() 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 () с амплитудой i_m2 передается в нагрузку, которая подключается последовательно обмотке 2. При дальнейшем повороте ротора на угол =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() 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; W5,4 МДж; f_m2=300 Гц.

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.