Понижающий трансформатор с распределёнными вторичными обмотками

Понижающий трансформатор с распределенными вторичными обмотками может быть использован в качестве трансформаторного преобразователя напряжения в науке, в связи, в промышленности и в других применениях. Суть полезной модели заключается в том, что магнитопровод трансформатора имеет центральный магнитопровод с расположенной на нем первичной обмоткой и два или более замкнутых магнитопроводов, расположенных симметрично относительно центрального магнитопровода с одинаковыми вторичными обмотками на них, которые соединены параллельно, первичная обмотка может быть в виде одного витка неподвижного провода, либо в виде вращающихся вокруг центрального магнитопровода одного или более положительно заряженных замкнутых проводников или в виде вращающихся встречно вокруг центрального магнитопровода одной или более пар разноименно заряженных замкнутых проводников.

Суть полезной модели: Суть полезной модели заключается в том, что магнитопровод трансформатора имеет центральный магнитопровод с расположенной на нем первичной обмоткой и два или более замкнутых магнитопроводов, расположенных симметрично относительно центрального магнитопровода с одинаковыми вторичными обмотками на них, которые соединены параллельно, первичная обмотка может быть в виде одного витка неподвижного провода, либо в виде вращающихся вокруг центрального магнитопровода одного или более положительно заряженных замкнутых проводников или в виде вращающихся встречно вокруг центрального магнитопровода одной или более пар разноименно заряженных замкнутых проводников.

Описание полезной модели: Полезная модель относится к области трансформаторов, преобразователей напряжения и может быть использовано в качестве трансформатора в преобразователях напряжения, в качестве трансформатора в сигнальных цепях в науке, связи, промышленности и других применениях. Прототипом являются электрические трансформаторы и DC-DC преобразователи напряжения.

На фиг.1, фиг.2 варианты трансформатора с различными формами магнитопровода; на фиг.3 и фиг.6 эквивалентные электрические схемы трансформатора; на фиг.4 варианты первичной обмотки в виде вращающихся положительно заряженных замкнутых проводников; на фиг.5 варианты первичной обмотки в виде встречно вращающихся разноименно заряженных пар замкнутых проводников; фиг.7 - вариант подключения внешнего источника высокого напряжения: 1 - центральный магнитопровод трансформатора; 2 - замкнутые магнитопроводы трансформатора; 3 - вращающийся заряженный замкнутый проводник; 4 - скользящие контакты; W1 - обмотка на центральном магнитопроводе трансформатора; W2.1, W2.2, W2.3, W2.4,.., W2.n - одинаковые обмотки трансформатора; R_{нагрузка}- нагрузка; V - внешний источник питания, W - направление угловой частоты вращения заряженного замкнутого проводника (3), I -направление тока во вращающемся заряженном замкнутом проводнике (3), +Q/-Q - заряд на замкнутом проводнике (3).

На фиг.1, фиг.2 варианты трансформатора с различными формами магнитопровода: магнитопровод трансформатора имеет центральный магнитопровод (1) с расположенной на нем обмоткой W1 и два или более замкнутых магнитопроводов (2), расположенных симметрично относительно центрального магнитопровода (1) с одинаковыми обмотками W2.1, W2.2,W2.3, W2.4,.., W2.n на них. Центральная обмотка W1 наматывается вокруг всего центрального магнитопровода (1) трансформатора. Одинаковые обмотки W2.1, W2.2, W2.3, W2.4,.., W2.n наматываются на замкнутые магнитопроводы (2) и соединяются параллельно. Сечение центрального магнитопровода (1) оптимально должно быть равно сумме сечений всех замкнутых магнитопроводов (2), а сечения замкнутых магнитопроводов (2) оптимально должны быть одинаковы, хотя могут быть любыми. Обмотки W2.1, W2.2, W2.3, W2.4,.., W2.n оптимально должны иметь одинаковые технические характеристики: количество витков, электрическое сопротивление, индуктивность и т.д. Все обмотки W2.1, W2.2, W2.3, W2.4,.., W2.n соединены параллельно и представляют из себя суммарно одну обмотку W2. Форма, пространственная конфигурация, сечение центрального магнитопровода (1) и замкнутых магнитопроводов (2) трансформатора могут быть любыми. Понижающий трансформатор с распределенными вторичными обмотками имеет коэффициент трансформации k=nN _w1/N_w2, где N_w1- количество витков в обмотке W1, N_w2 -количество витков в каждой обмотке W2.n, n - количество обмоток W2.n или замкнутых магнитопроводов (2) в трансформаторе. Дополнительный множитель n в коэффициент трансформации k=nN_w1/N_w2 обусловлен тем, что магнитный поток от центральной обмотки W1 разделяется на n равных частей между замкнутыми магнитопроводами (2) и обмотками W2.1, W2.2, W2.3, W2.4,.., W2.n и наоборот магнитные потоки от каждой обмотки W2.1, W2.2, W2.3, W2.4,.., W2.* суммируются на центральном магнитопроводе (1) и центральной обмотке W1. Понижающий трансформатор с распределенными вторичными обмотками может быть использован в любом преобразователе напряжения с питанием переменным синусоидальным током или импульсным током, а так же в качестве трансформатора в сигнальных линиях. Количество обмоток W1 и/или суммарных обмоток W2, состоящих из одинаковых обмоток W2.1, W2.2,

W2.3, W2.4,.., W2.n, может быть любым. Принцип работы понижающего трансформатора с распределенными вторичными обмотками соответствует работе стандартного трансформатора. Ближайшим аналогом является стандартный трансформатор

(http://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор ) и стандартный трансформаторный двухтактный импульсный DC-DC преобразователь напряжения

(http://ru.wikipedia.org/wiki/Двухтактный преобразователь). Отличительными особенностями являются наличие двух или более замкнутых магнитопроводов (2), расположенных симметрично относительно центрального магнитопровода (1) с одинаковыми обмотками W2.1, W2.2, W2.3, W2.4,.., W2.n на них, которые соединены параллельно. В сравнении со стандартным трансформатором например на П-образном магнитопроводе имеющим одну первичную и одну вторичную обмотку, понижающий трансформатор с распределенными вторичными обмотками позволяет понижать высокое или сверхвысокое напряжение в первичной обмотке выполненной всего в один виток, что позволяет полностью исключить электрический пробой между витками в первичной обмотке (в стандартном трансформаторе требуется в к раз больше витков в первичной обмотке, к - коэффициент трансформации), кроме этого индуктивность вторичной обмотки имеет низкое значение, т.к. все обмотки W2.1, W2.2, W2.3, W2.4,.., W2.n соединены параллельно, то соответственно суммарная индуктивность уменьшается в п раз, т.е. индуктивность суммарной обмотки W2 будет L_w2=L _w2.n/n, где L_w2- суммарная индуктивность обмотки W2, L_w2.n- индуктивность каждой обмотки W2.n, n - количество обмоток W2.n. Значительное уменьшение индуктивности и паразитных электрических межвитковых и межобмоточных емкостей, т.к. требуемое количество витков в обмотках трансформатора с распределенными обмотками значительно меньше, что позволяет значительно поднять рабочую частоту понижающего трансформатора с распределенными вторичными обмотками. Понижающий трансформатор с распределенными вторичными обмотками может использоваться и как повышающий трансформатор, т.е. обмотка W2 подключается к источнику питания V, а с обмотки W1 снимается высокое напряжение (фиг.6).

Первичная обмотка W1 на центральном магнитопроводе (1) может быть в виде одного витка неподвижного провода к которому подключается внешний источник питания V (фиг.1, фиг.2, фиг.З, фиг.6), либо в виде вращающихся вокруг центрального магнитопровода (1) одного или более положительно заряженных замкнутых проводников (3) (фиг.4) или в виде вращающихся встречно вокруг центрального магнитопровода (1) одной или более пар разноименно заряженных замкнутых проводников (3) (фиг.5). Приводы вращения заряженных замкнутых проводников (3) и другие вспомогательные механизмы (подшипники и т.д.) могут быть любыми и не показаны на фиг.4 и фиг.5. Общеизвестно, что движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле (http://www.wikiznanie.ru/ru-wz/index.php/Электрическая_конвекция). Вокруг вращающегося с угловой скоростью W заряженного замкнутого проводника (3) возникает магнитное поле пропорциональное току I. Для положительно заряженного замкнутого проводника (3) направление тока I совпадает с направлением вращения W, а ток будет равен I=Q/t=QW, где Q - положительный заряд на вращающемся замкнутом проводнике (3), W - угловая частота вращения. Для отрицательно заряженного замкнутого проводника (3) направление тока I противоположно направлению вращения XV. Вращение заряженного замкнутого проводника (3) аналогично одному витку первичной обмотки трансформатора в котором течет ток I. Раскручивание заряженного замкнутого проводника (3) до частоты вращения W, либо уже на раскрученный замкнутый проводник (3) подача положительного или отрицательного заряда +Q/-Q равносильно возрастанию тока I в первичной обмотке W1 трансформатора, т.е. полностью аналогично обычному возрастанию тока в намотанной неподвижной первичной обмотке W1 трансформатора. При этом естественно возникает противоЭДС являющиеся неотъемлемой частью работы любого трансформатора, но теперь противоЭДС приложена к вращающимся положительным зарядам замкнутого проводника (3), которые жестко связаны с материалом замкнутого проводника (3), т.е. противоЭДС будет тормозить вращение замкнутого проводника (3), потребляя энергию из привода вращения замкнутого проводника (3). При обратном процессе спада тока I в первичной обмотке W1 трансформатора, т.е. либо торможение вращения заряженного замкнутого проводника (3), либо разряд вращающегося замкнутого проводника (3), как и в обычном трансформаторе появится ЭДС самоиндукции, которая стремиться сохранить неизменным значение тока I в первичной обмотке W1. ЭДС самоиндукции так же будет приложена к вращающимся положительным зарядам замкнутого проводника (3), но теперь ЭДС самоиндукции будет ускорять вращение замкнутого проводника (3) и возвращать энергию в привод вращения замкнутого проводника (3). Следует отметить, что в случае заряда или разряда уже вращающегося замкнутого проводника (3), противоЭДС и ЭДС самоиндукции ни как не влияют на внешний источник высокого напряжения V (фиг.7), которым производится заряд-разряд замкнутого проводника (3). Напряжение первичной обмотки в виде вращающегося положительно заряженного замкнутого проводника (3) зависит от частоты вращения W и массы замкнутого проводника (3) и будет равно U=mV²/2Q=mт(WR)² /2Q, где m - масса вращающегося замкнутого проводника (3) и других частей привода вращения жестко связанных с замкнутым проводником (3), V - средняя линейная скорость вращения замкнутого проводника (3), Q - величина заряда замкнутого проводника (3), W - угловая частота вращения замкнутого проводника (3), R - средний радиус замкнутого проводника (3). Напряжение равно U=А/Q, т.е. это работа по перемещению заряда Q между двумя точками, но в данном случае энергия, которую можно потратить на работу по перемещению положительного заряда +Q замкнутого проводника (3) является кинетическая энергия вращения массы замкнутого проводника (3) Е=mV²/2=m(WR) ²/2. Значение работы А по перемещению (вращению) заряда будет равна кинетической энергии вращения массы замкнутого проводника (3) А=Е=mV²/2=M(WR) ²/2, т.е. до полной остановки замкнутого проводника (3) при котором прекращается вращение заряда +Q и ток I, создаваемый этим вращением становится равен нулю. Для примера рассчитаем напряжение, которое будет соответствовать напряжению первичной обмотки трансформатора в случае вращения положительно заряженного замкнутого проводника (3): масса m=0,1 кг без учета массы вращающихся частей привода, скорость вращения V=WR=10*0,05=0,5 м/с, W=10об/сек=600об/мин, R=5 см, заряд Q=CU=10^-910000=10^-5кулон, C=1000пФ, U=10кВ. Тогда, напряжение, соответствующие напряжению на первичной обмотке составит: U=mV ²/2Q=0,1(0,5)²/(210^-5)=1 250 000=1,25МВ. Данное напряжение очень высокое, но не требуется каких либо дополнительных защитных мер, т.к. оно не может «пробиться».

В данном трансформаторе при использовании вращающихся заряженных замкнутых проводников (3) в качестве первичной обмотки возможны пять режимов работы:

1. Режим разгон-торможение постоянно заряженного замкнутого проводника (3). При этом разгон вращения замкнутого проводника (3) соответствует синхронному повышению напряжения и тока в первичной обмотке трансформатора при соответствующем потреблении энергии из источника питания привода, привод вращения замкнутого проводника (3) в режиме мотора. Торможение вращения замкнутого проводника (3) соответствует синхронному понижению напряжения и тока в первичной обмотке трансформатора и отдачей энергии в привод вращения замкнутого проводника (3). Привод вращения замкнутого проводника (3) в режиме генератора. Режим может быть использован, в том числе для создания импульсов сверхвысокого напряжения до 10⁸ В.

2.Режим заряд-разряд замкнутого проводника (3) при постоянной скорости вращения. При этом заряд вращающегося замкнутого проводника (3) соответствует повышению тока в первичной обмотке трансформатора при соответствующем потреблении энергии из источника питания привода для поддержания неизменной скорости вращения, привод вращения замкнутого проводника (3) в режиме мотора. Разряд вращающегося замкнутого проводника (3) соответствует понижению тока в первичной обмотке трансформатора и отдачей энергии в привод вращения замкнутого проводника (3), привод вращения замкнутого проводника (3) в режиме генератора для поддержания неизменной скорости вращения.

3. При большой массе замкнутого проводника (3) или если кинетическая энергия вращения замкнутого проводника (3) много больше энергии передаваемой через трансформатор в цикле заряд-разряд, т.е. изменения скорости вращения замкнутого проводника (3) при заряде-разряде незначительны, то привод вращения может работать только в режиме мотора для компенсации сил трения и прочих потерь, т.к. при разряде будет незначительное торможение вращения, а при разряде такое же увеличение скорости вращения. Для увеличения массы замкнутого проводника (3) и соответственно кинетической энергии (или напряжения на первичной обмотке) к замкнутому проводнику (3) может быть добавлена дополнительная масса маховика.

4 Режим синхронного заряда и разгона замкнутого проводника (3) с последующим синхронным разрядом и торможением кольца замкнутого проводника (3).

5. Режим синхронного заряда и торможения кольца замкнутого проводника (3) с последующим синхронным разрядом и разгоном кольца замкнутого проводника (3).

Заряды на замкнутом проводнике (3) могут быть создан любым способом, например: использованием заряженного материала (электреты) замкнутого проводника (3), либо подачей высокого напряжения от внешнего источника напряжения V через скользящие контакты (4) на замкнутые проводники (3) (фиг.7) или любым другим способом создания зарядов на замкнутом проводнике (3). Замкнутый проводник (3) может быть конструктивно в виде плоского кольца / диска, либо в виде цилиндра, либо в виде соленоида, либо любой другой геометрической формой вращения, которая обеспечивает максимальный заряд на замкнутом проводнике (3). Замкнутый проводник (3) может быть один или несколько отдельных, в этом случае суммарный ток I является суммой тока каждого замкнутого проводника (3). Скользящие контакты (4) могут быть любого типа и могут быть размещены в любом месте замкнутого проводника (3), при этом заряд замкнутого проводника (3) оптимально производить через внешний периметр замкнутого проводника (3), а разряд через внутренний периметр замкнутого проводника (3). Привод вращения замкнутого проводника (3) может быть любой с возможностью возврата энергии в источник питания привода, например мотор-генератор. Магнитопровод трансформатора может любой формы, при которой обеспечивается возможность вращения замкнутого проводника (3).

Мощность передаваемая через трансформатор с вращающимся замкнутым проводником (3) будет равна P=U₂ I₂=U₁I₁=mW³R ²/2, где U₂I₂ - напряжение и ток вторичной обмотки, U₁=mV²/2Q=m(WR) ²/2(3 эквивалентное напряжение первичной обмотки, I1=QW эквивалентный ток первичной обмотки, т.е. выходная мощность не зависит от заряда+Q/-Q на замкнутом проводнике (3), следовательно, нет влияния на внешний источник питания V (фиг.7) заряда-разряда замкнутого проводника (3), а зависит только от кинетической энергии вращения, приведенной суммарной массы и угловой частоты вращения замкнутого проводника (3). Так же следует отметить, что при подключенной к вторичной обмотке нагрузки R_{нагрузка}, возрастает ток I₂ во вторичной обмотке W2, который создает встречное магнитное поле, которое в результате взаимоиндукции воздействует на первичную обмотку W1 стремясь увеличить ток I₁ в ней (как в любом трансформаторе), т.е. ускоряет вращение заряженного замкнутого проводника (3), при спаде тока I₂ во вторичной обмотке происходит аналогичный обратный процесс торможения вращения замкнутого проводника (3). Так же следует отметить, что изменение напряжения и тока в первичной обмотке в виде вращающегося замкнутого проводника (3) происходят синхронно без временных задержек или фазовых сдвигов, т.к. напряжение и ток в первичной обмотке являются функцией от угловой частоты вращения W и заряда +Q/-Q замкнутого проводника (3), т.е. любое изменение скорости вращения W вызывает синхронное изменение напряжения и тока, так же как и изменение заряда +Q/-Q замкнутого проводника (3) приводит к синхронному изменению напряжения и тока, следовательно, индуктивность вращающегося заряженного замкнутого проводника (3), т.е. эквивалентная индуктивность первичной обмотки W1 стремится к нулю или равна нулю. Увеличение угловой частоты вращения W заряженного замкнутого проводника (3) вызывает прямо пропорциональное увеличение тока I=QW в нем и прямо пропорциональное квадрату частоты вращения увеличение напряжения U=m(WR)² /2Q, а увеличение заряда +Q/-Q на замкнутом проводнике (3) вызывает прямо пропорциональное увеличение тока и обратно пропорциональное уменьшение напряжения.

Преимуществом понижающего трансформатора с распределенными вторичными является то, что вращающийся положительный заряд замкнутого проводника не имеет электрического сопротивления, как в обычной первичной обмотке, т.е. нет потерь на тепловыделение на активном электрическом сопротивлении первичной обмотки.

Вторым преимуществом является то, что возможно создать импульсы сверхвысокого напряжения 10⁵-10⁸ В и выше без возможности какого-либо «пробоя» первичной обмотки.

Понижающий трансформатор с распределенными вторичными обмотками, состоящий из замкнутого магнитопровода трансформатора, одной первичной обмотки и двумя или более одинаковыми вторичными обмотками, отличающийся тем, что магнитопровод трансформатора имеет центральный магнитопровод с расположенной на нем первичной обмоткой и два или более замкнутых магнитопроводов, расположенных симметрично относительно центрального магнитопровода с одинаковыми вторичными обмотками на них, которые соединены параллельно; первичная обмотка может быть в виде одного витка неподвижного провода, либо в виде вращающихся вокруг центрального магнитопровода одного или более положительно заряженных замкнутых проводников или в виде вращающихся встречно вокруг центрального магнитопровода одной или более пар разноименно заряженных замкнутых проводников.