Бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющимися при вращении ротора индуктивностями обмоток статора и может быть использована для частотного питания электрофизических установок мощными импульсами тока с амплитудой до 1 МА и более, например, для питания индуктивной нагрузки, такой как обмотки электромашинного генератора, индуктивного накопителя или электромагнита ускорителя. Задачей полезной модели является существенное повышение генерируемой мощности и амплитуды импульсов тока в нагрузке при сохранении незначительной мощности импульсного источника возбуждения. Это достигается тем, что бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор содержит импульсный источник возбуждения с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, параллельно которой подключена через второй коммутатор нагрузка, монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов (р) рабочей обмотки. При этом на статоре размещена дополнительная обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов (р=2, 3, 4 и т.д.) в дополнительных открытых пазах, которые смещены по отношению к пазам рабочей обмотки на угол 180°/р. Параллельно дополнительной обмотке возбуждения подключены через первый коммутатор импульсный источник возбуждения и через дополнительный коммутатор рабочая обмотка со вторым коммутатором и нагрузкой. Ил.3.

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющимися при вращении ротора индуктивностями обмоток статора и может быть использована для частотного питания электрофизических установок мощными импульсами тока с амплитудой до 1 МА и более, например, для питания индуктивной нагрузки, такой как обмотки электромашинного генератора, индуктивного накопителя или электромагнита ускорителя.

Известен бесконтактный компрессионный 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], содержащий явнополюсный ферромагнитный статор с одной рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки. При вращении ротора индуктивность обмотки 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 обмотки (L_max) магнитный поток проходит значительный путь по воздуху между полюсами статора и для его создания требуется большой ток.

Недостатками этого генератора являются значительная мощность источника возбуждения, которая связана с большими величинами тока, и незначительная кратность изменения индуктивности обмотки (N=L _max/L_min<10), что ограничивает генерируемую мощность.

Наиболее близким техническим решением является бесконтактный компрессионный генератор, выбранный в качестве прототипа [Патент RU №60807, МПК Н02K 57/00. - Опубл. 27.01.2007. Бюл. №3], содержащий явнополюсный ферромагнитный статор с одной рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов обмотки. Параллельно рабочей

обмотке подключены через первый коммутатор импульсный источник возбуждения и через второй коммутатор нагрузка. Благодаря наличию магнитопроводов значительно уменьшается путь магнитного потока по воздуху в момент максимума индуктивности обмотки статора (L_max), что приводит к уменьшению тока и мощности импульсного источника возбуждения, а также к увеличению генерируемой мощности импульсов тока в нагрузке за счет повышения кратности изменения индуктивности (N).

Недостатком прототипа является недостаточная для ряда нагрузок генерируемая мощность и амплитуда импульсов тока.

Задачей полезной модели является существенное повышение генерируемой мощности и амплитуды импульсов тока в нагрузке при сохранении незначительной мощности импульсного источника возбуждения.

Это достигается тем, что в бесконтактном двухкаскадном компрессионном генераторе, также как в прототипе, содержится импульсный источник возбуждения с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, параллельно которой подключена через второй коммутатор нагрузка, монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов (р) рабочей обмотки. Согласно полезной модели на статоре размещена дополнительная обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов (р=2, 3, 4 и т.д.) в дополнительных открытых пазах, которые смещены по отношению к пазам рабочей обмотки на угол 180°/р. Параллельно дополнительной обмотке возбуждения подключены через первый коммутатор импульсный источник возбуждения и через дополнительный коммутатор рабочая обмотка со вторым коммутатором и нагрузкой.

Достигаемый результат поясним при импульсном питании индуктивной нагрузки L_H без учета активных сопротивлений обмоток генератора и нагрузки. Примем, что при замыкании первого коммутатора в момент t=0 импульсный источник возбуждения генерирует на интервале времени 0t2t₀ импульс тока возбуждения генератора (фиг.1, кривая 1)

где I_m0 - максимальное значение тока возбуждения i₀(t).

Конструкция бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора такова, что в момент максимального значения индуктивности (L _max1) дополнительной обмотки возбуждения индуктивность рабочей обмотки принимает минимальное значение (L _min2) и наоборот, т.е. индуктивности обмоток при вращении ротора периодически изменяются и смещены во времени одна относительно другой на угол равный 180 электрических градусов. Поэтому индуктивности дополнительной обмотки возбуждения L₁(t) и рабочей обмотки L₂(t) генератора при вращении ротора изменяются во времени t с периодом T=2/ и с учетом постоянной составляющей и первой гармоники так

L₁(t)=L₀₁ [1+m₁cos(t-t₀)];

L₂ (t)=L₀₂[1-m₂cos(t-t₀)],

где ; - коэффициенты модуляции индуктивностей обмоток;

L₀₁=(L_max1+L _min1)/2; L₀₂=(L_mах2 +L_min2)/2 - средние значения индуктивностей обмоток;

N₁=L_max1 /L_min1; N₂=L _max2/L_min2 - кратности изменения индуктивностей обмоток;

=2pf - угловая частота, определяемая частотой вращения ротора f и числом пар полюсов р обмоток.

1. Рассмотрим первый интервал времени 0tt₀, когда в момент t=0 замыкается первый коммутатор при разомкнутых втором и дополнительном коммутаторах. На этом интервале времени ток в дополнительной обмотке возбуждения генератора i₁(t) будет равен току возбуждения i₀(t), т.е. i₁(t)=i ₀(t) (фиг.1, кривая 2 на интервале 0t/T0,1). В момент времени t=t₀, когда индуктивность дополнительной обмотки и ток возбуждения максимальны, начальная энергия, запасаемая в магнитном поле дополнительной обмотки, будет равна

2. Рассмотрим второй интервал времени t ₀t2t₀, когда в момент t=t ₀ замыкается дополнительный коммутатор при замкнутом первом и разомкнутом втором коммутаторах. Совместное решение уравнений

при известных начальных условиях

i ₀(t₀)=I_m0; i₁(t₀)=I _m0; i₂(t₀)=0

позволяет определить ток в дополнительной обмотке возбуждения (фиг.1, кривая 2 на интервале 0,1t/T0,2)

и ток в рабочей обмотке генератора (фиг.1, кривая 3 на интервале 0,1t/T0,2)

3. Рассмотрим третий интервал времени 2t ₀tt₀+/, когда в момент t=2t₀ при i ₀(2t₀)=0 первый коммутатор размыкается и отключает источник возбуждения, причем дополнительный коммутатор замкнут, а второй коммутатор разомкнут.При i₁ (t)=i₂(t) из решения уравнения (1) при известных начальных условиях

определяем токи в обмотках генератора (фиг.1, кривые 2 и 3 на интервале 0,2t/T0,6)

В момент времени t=t₀+/, когда индуктивность дополнительной обмотки возбуждения минимальна (L_min1), а рабочей обмотки максимальна (L_max2), находим значения токов

и энергию, запасаемую в магнитном поле рабочей обмотки

которая будет наибольшей при L_max2 =L_min1 и равной

4. Рассмотрим четвертый интервал времени t ₀+/tt₀+3/, когда в момент t=t₀+/ замыкается второй коммутатор, причем дополнительный коммутатор замкнут, а первый коммутатор разомкнут.Из совместного решения уравнения (1) и уравнений

при известных начальных условиях

i ₁(t₀+/)=I_m1; i₂(t ₀+/)=I_m1; i₃(t ₀+/)=0

определяем ток в индуктивной нагрузке L _H (фиг.1, кривая 4 на интервале 0,6t/T1,6)

а также ток в дополнительной обмотке возбуждения (фиг.1, кривая 2 на интервале 0,6t/T1,6)

и ток в рабочей обмотке (фиг.1, кривая 3 на интервале 0,6t/T1,6)

В момент времени t=t₀+2/, когда индуктивность дополнительной обмотки возбуждения максимальна (L_max1), а рабочей обмотки минимальна (L_min2), находим амплитудное значение тока в нагрузке

а также максимум энергии, запасаемой в магнитном поле нагрузки

которая будет наибольшей при индуктивности нагрузки

и составит при L_max2=L _min1 и L_max1>L _min2

причем

L_HL_min2;

В свою очередь прототип при питании индуктивной нагрузки L_H=L_min2 и при тех же значениях начальной энергии W₀ и максимума тока возбуждения I_m0 имеет

;

Таким образом, получаем

; ,

т.е. заявляемый бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор имеет в N₁/4 раза большую энергию и в N₁/2 раза большую амплитуду импульса тока в нагрузке, а, значит, и большую мощность импульсов по сравнению с прототипом при той же мощности возбуждения. При этом числа витков обмоток выбираются так, чтобы минимальная индуктивность дополнительной обмотки возбуждения (L_min1 ) была равна максимальной индуктивности рабочей обмотки (L _max2).

На фиг.1 изображены расчетные кривые токов бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора. На фиг.2 схематически изображен бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор с четырьмя парами полюсов (р=4) при положении ротора, когда индуктивность дополнительной обмотки возбуждения максимальна, рабочей обмотки - минимальна. На фиг.3 приведена электрическая схема бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора.

Бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор (фиг.2) содержит корпус 1, явнополюсный ферромагнитный статор 2 с дополнительной обмоткой возбуждения 3 и рабочей обмоткой 4, монолитный ротор 5 из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы 6, а также вал 7. Дополнительная обмотка возбуждения 3 и рабочая обмотка 4 имеют одинаковое число пар полюсов (р=2, 3, 4 и т.д.) и размещены в открытых пазах статора, причем пазы дополнительной обмотки возбуждения 3 смещены относительно пазов рабочей обмотки 4 на угол 180°/р. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи явнополюсный ферромагнитный статор 2 и магнитопроводы 6 ротора 5 изготовляются шихтованными, т.е. набранными из отдельных изолированных листов электротехнической стали.

Электрическая схема бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора (фиг.3) содержит дополнительную обмотку возбуждения 3 и рабочую обмотку 4, импульсный источник возбуждения 8 (И), первый коммутатор 9, дополнительный коммутатор 10, второй коммутатор 11 и нагрузку 12 (Н). причем параллельно дополнительной обмотке возбуждения

3 подключены через первый коммутатор 9 импульсный источник возбуждения 8 (И) и через дополнительный коммутатор 10 рабочая обмотка 4, параллельно которой подключен второй коммутатор 11 с нагрузкой 12 (Н). В качестве импульсного источника возбуждения 8 (И) может быть выбрана заряженная от внешнего источника конденсаторная батарея, а в качестве нагрузки 12 (Н) может быть выбран, например, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности).

Бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем ротор 5 генератора раскручивается до определенного числа оборотов. Коммутаторы 9, 10 и 11 разомкнуты. В момент близкий к максимуму индуктивности дополнительной обмотки возбуждения 3 первый коммутатор 9 замыкается и импульсный источник возбуждения 8 (И) генерирует в дополнительной обмотке возбуждения 3 импульс тока возбуждения i₀. Далее в момент максимума индуктивности дополнительной обмотки возбуждения 3 замыкается дополнительный коммутатор 10 и рабочая обмотка 4 подключается параллельно дополнительной обмотке возбуждения 3. За счет изменяющихся индуктивностей обмоток 3 и 4 начинают нарастать токи в этих обмотках i ₁ и i₂, причем в момент, когда ток возбуждения i₀ становится равным нулю, размыкается первый коммутатор 9 и импульсный источник 8 (И) отключается. Далее в момент максимума индуктивности рабочей обмотки 4, когда токи i₁=i₂ максимальны, замыкается второй коммутатор 11, который подключает параллельно рабочей обмотке 4 нагрузку 12 (Н). За счет изменяющейся индуктивности рабочей обмотки 4 в нагрузке 12 (Н) генерируется импульс тока i₃. В момент, когда ток i ₃ становится равным нулю, второй коммутатор 11 размыкается и отключает нагрузку 12 (Н). Далее, когда токи i ₁=i₂ обмоток 3 и 4 генератора становятся близкими к нулю, размыкается дополнительный коммутатор 10. Схема генератора (фиг.3) приходит в исходное состояние и генератор готов к генерированию следующего импульса тока i ₃ в нагрузке 12 (H).

Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и экспериментальных исследований, проведенных автором, имеет при той же мощности импульсного источника возбуждения примерно в три раза большую энергию и мощность генерируемых в нагрузке импульсов тока.

Данная полезная модель реализована в виде бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора массой 500 кг (N₁=30; N ₂=10) с тиристорными коммутаторами для импульсно-частотного питания индуктивной нагрузки. Этот генератор имеет

импульсную мощность 58 МВт при амплитуде импульсов тока в нагрузке до 300 кА и частоте следования импульсов до 100 Гц.

Бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор, содержащий импульсный источник возбуждения с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, параллельно которой подключена через второй коммутатор нагрузка, монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов (р) рабочей обмотки, где р=2, 3, 4 и т.д., отличающийся тем, что на статоре размещена дополнительная обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов (р) в дополнительных открытых пазах, которые смещены по отношению к пазам рабочей обмотки на угол 180°/р, при этом параллельно дополнительной обмотке возбуждения подключены через первый коммутатор импульсный источник возбуждения и через дополнительный коммутатор рабочая обмотка со вторым коммутатором и нагрузкой.