Бесконтактный трансформаторный 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 питания электрофизических установок мощными импульсами тока с амплитудой до 1 МА и более, например, для питания активно-индуктивной нагрузки, такой как рельсотрон (электромагнитный ускоритель).

Задачей полезной модели является существенное повышение амплитуды генерируемого импульса тока в нагрузке.

Это достигается тем, что бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор содержит импульсный источник возбуждения (конденсаторная батарея) с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой и числом витков w_P, размещенной в открытых пазах между полюсами, к 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 p=2,3,4.... При этом на статоре в тех же открытых пазах размещена обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов р и с числом витков w_B, которое выбрано из условия: w_B>w_P.К обмотке возбуждения через первый коммутатор подключен импульсный источник возбуждения. 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 питания электрофизических установок мощными импульсами тока с амплитудой до 1 МА и более, например, для питания активно-индуктивной нагрузки, такой как рельсотрон (электромагнитный ускоритель).

Известен компрессионный генератор [Патент SU №934888, МПК Н03К 3/00. - Опубл. 15.08.1983. Бюл. №30], имеющего явнополюсные ферромагнитные ротор и статор с двумя одинаковыми обмотками, которые соединены между собой посредством скользящих контактов (контактные кольца и щетки) и включены через первый коммутатор последовательно с нагрузкой и импульсным источником возбуждения (заряженная конденсаторная батарея). Для увеличения импульсной мощности параллельно импульсному источнику возбуждения и первому коммутатору подключен второй коммутатор, который замыкается после полного разряда батареи, когда ток в обмотках достигнет нужной величины (I₀) и создаст в генераторе требуемый магнитный поток. При вращении ротора суммарная индуктивность этих обмоток периодически изменяется 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 определяет значительную генерируемую энергию и мощность импульса тока в нагрузке. Недостатком этого генератора является наличие скользящих контактов, через которые необходимо пропустить всю генерируемую мощность и весь импульсный ток. Таким образом, амплитуда генерируемого импульса тока (I _m) в нагрузке ограничена пропускной способностью скользящих контактов и соотношением I_m<I ₀·N.

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 большая амплитуда тока возбуждения (I₀).

Недостатками этого генератора являются:

а) большая амплитуда импульса тока возбуждения (I₀), достигающая сотен кА;

б) значительная энергия импульса тока источника возбуждения (w ₀=0,5·L_maxI²₀), которая связана с большой амплитудой тока (I₀);

в) незначительная кратность изменения индуктивности обмотки (N=L_max /L_min<10), которая ограничивает энергию (W) и амплитуду генерируемого импульса тока (I _m) в нагрузке, так как W<W₀·N и I_m<I₀·N.

Наиболее близким техническим решением является бесконтактный компрессионный генератор, выбранный в качестве прототипа [Патент RU №60807, МПК Н02К 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 (конденсаторная батарея) и через второй коммутатор нагрузка. Благодаря наличию магнитопроводов значительно уменьшается путь магнитного потока по воздуху в момент максимума индуктивности обмотки статора (L_max ), например, в n раз, что приводит к увеличению максимальной индуктивности обмотки статора (L_max) и кратности изменения индуктивности (N) в n раз, к уменьшению амплитуды (I₀) и энергии (W₀ ) импульса тока возбуждения в n раз при неизменных значениях энергии (W) и амплитуды генерируемого импульса тока (I _m) в нагрузке.

Недостатком прототипа является недостаточная для ряда нагрузок, в частности рельсотрона, амплитуда генерируемого импульса тока (I_m).

Задачей полезной модели является существенное повышение амплитуды генерируемого импульса тока (I_m) в нагрузке.

Это достигается тем, что в бесконтактном трансформаторном компрессионном генераторе, также как в прототипе, содержится импульсный источник возбуждения (конденсаторная батарея) с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой и числом витков w _p, размещенной в открытых пазах между полюсами, к 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 p=2,3,4.... Согласно полезной модели на статоре в тех же открытых пазах размещена обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов р и с числом витков w _В, которое выбрано из условия: w_B >w_p.К обмотке возбуждения через первый коммутатор подключен импульсный источник возбуждения.

Достигаемый результат поясним при импульсном питании индуктивной нагрузки L_H без учета активных сопротивлений обмоток генератора и нагрузки, когда в качестве импульсного источника возбуждения используется заряженная до напряжения U ₀ конденсаторная батарея емкостью С. Конструкция бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора такова, что индуктивности обмотки возбуждения L_B(t) и рабочей обмотки L_p(t), а также взаимная индуктивность между этими обмотками M(t) при вращении ротора изменяются одновременно во времени t с периодом T=2/ с учетом постоянной составляющей и первой гармоники так:

где L_maxB; L _maxP(w_p/w_B) ² L_maxB; M_max(W_P/W_B)L _maxB - максимальные значения индуктивности обмотки возбуждения, индуктивности рабочей обмотки и взаимной индуктивности соответственно;

L_minB; L_minP(W_P/W_B) ²L_minB; M_min(W_P/W_B)L _minB - минимальные значения индуктивности обмотки возбуждения, индуктивности рабочей обмотки и взаимной индуктивности соответственно;

L=(L_maxB+L_minB )/2 - среднее значение индуктивности обмотки возбуждения;

N=L_maxB/L_minBL_maxP/L_minPM_max/M_max/M _min - кратность изменения индуктивностей обмоток;

- коэффициент модуляции индуктивностей обмоток;

=2pf - угловая частота изменения индуктивностей, определяемая частотой вращения ротора (f) и числом пар полюсов (р) обмоток;

t₀ - момент времени после срабатывания первого коммутатора, соответствующий максимальным значениям индуктивностей.

1. Рассмотрим первый интервал времени 0tt₀, когда в момент t=0 замыкается первый коммутатор при разомкнутом втором коммутаторе. На этом интервале времени при t₀<T и L _B(t)L_maxB, когда конденсаторная батарея емкостью

в момент t=t₀ полностью разряжается, ток в обмотке возбуждения генератора будет равен (фиг.1, кривая 1):

где - амплитуда тока возбуждения i_B(t).

В момент времени t=t₀, когда индуктивность обмотки возбуждения и ток возбуждения максимальны, начальная энергия, запасаемая в магнитном поле этой обмотки, будет равна

2. Рассмотрим второй интервал времени t ₀tt₁, когда в момент t=t ₀ замыкается второй коммутатор при замкнутом первом коммутаторе. Совместное решение уравнений

;

при известных начальных условиях

,

при потокосцеплениях обмоток генератора

и при практически постоянных индуктивностях (t ₁-t₀<t₀)

позволяет определить ток в обмотке возбуждения (фиг.1, прямая 2)

и ток в рабочей обмотке и нагрузке генератора при N»1 (фиг.1, прямая 3)

причем

3. Рассмотрим третий интервал времени t ₁tT, когда в момент t=t₁ при i _B(t₁)=0 первый коммутатор размыкается и отключает источник возбуждения (конденсаторную батарею), причем второй коммутатор замкнут. При известном начальном условии

из решения уравнения

при L_H=L_minP определяем ток в рабочей обмотке генератора и нагрузке (фиг.1, кривая 4)

В момент времени t=t₀+0,5Tt₁+0,5T, когда индуктивность рабочей обмотки минимальна (L_minP), находим амплитуду генерируемого в нагрузке импульса тока

и энергию, переданную в нагрузку L _H=L_minP:

В свою очередь прототип при питании индуктивной нагрузки L_H=L_minP и тех же значениях начальной энергии W₀ и амплитуды тока возбуждения I₀ имеет

Таким образом, получаем

т.е. заявляемый бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор имеет при одинаковой энергии в w_В /w_Р раза большую амплитуду импульса тока в нагрузке.

На фиг.1 изображены расчетные кривые токов бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора. На фиг.2 схематически изображен бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор с двумя парами полюсов (р=2) при положении ротора, когда индуктивности обмоток максимальны. На фиг.3 приведена электрическая схема бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора.

Бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор (фиг.2) содержит корпус 1, явнополюсный ферромагнитный статор 2 с обмоткой возбуждения 3 и рабочей обмоткой 4, которые размещены в открытых пазах 5, монолитный ротор 6 из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы 7. Обмотка возбуждения 3 с числом витков w _В и рабочая обмотка 4 с числом витков w _Р имеют одинаковое число пар полюсов (р=2, 3, 4, ...), причем w_В/w_Р. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи явнополюсный ферромагнитный статор 2 и магнитопроводы 7 ротора 6 изготовляются шихтованными, т.е. набранными из отдельных изолированных листов электротехнической стали.

Электрическая схема бесконтактного трансформаторный компрессионного генератора (фиг.3) содержит обмотку возбуждения 3 и рабочую обмотку 4, импульсный источник возбуждения 8 (И), первый коммутатор 9, второй коммутатор 10 и нагрузку 11 (Н). К обмотке возбуждения 3 подключены первый коммутатор 9 и импульсный источник возбуждения 8 (И), а к рабочей обмотке 4 подключены второй коммутатор 10 и нагрузка 11 (Н). В качестве импульсного источника возбуждения 8 (И) может быть выбрана заряженная от внешнего источника конденсаторная батарея с первым коммутатором 9 в виде тиристорной группы, а в качестве нагрузки 11 (Н) может быть выбран, например, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности) или рельсотрон со вторым коммутатором 10 в виде проводящего ток ускоряемого тела, которое получает начальную скорость, например, от пороховых газов и замыкает цепь рабочей обмотки 4 в момент максимума ее индуктивности.

Бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем ротор 6 генератора раскручивается до определенного числа оборотов. Коммутаторы 9 и 10 разомкнуты. В момент близкий к максимумам индуктивностей обмоток 3 и 4 первый коммутатор 9 замыкается и импульсный источник возбуждения 8 (И) генерирует в обмотке возбуждения 3 импульс тока возбуждения i _В(t). Далее в момент максимума индуктивностей обмоток 3 и 4 замыкается второй коммутатор 10 и рабочая обмотка 4 подключается к нагрузке 11 (Н). За счет уменьшающейся индуктивности рабочей обмотки 4 начинает нарастать ток i(t) в этой обмотке 4 и нагрузке 11 (Н), причем в момент, когда ток возбуждения i _В(t) становится равным нулю, размыкается первый коммутатор 9 и импульсный источник 8 (И) отключается. В момент, когда ток i(t) становится минимальным, второй коммутатор 10 размыкается и отключает нагрузку 11 (Н). Схема генератора (фиг.3) приходит в исходное состояние и генератор готов к генерированию следующего импульса тока i(t) в нагрузке 11 (Н).

Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и исследований, проведенных автором, имеет при той же энергии импульса в (w _В/w_Р) раза большую амплитуду тока в нагрузке.

Данная полезная модель может быть реализована в виде бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора массой 50000 кг (р=2) для импульсного питания рельсотрона. Такой генератор имеет импульсную мощность до 34000 МВт при следующих расчетных параметрах:f=50 об/с; кинетическая энергия вращающегося ротора 60 МДж; N=120 при индукции магнитного потока 2 Тл; w _В=8 витков; w_Р=2 витка; U ₀=25 кВ;

I₀=20 кА; I _m=6,8 MA; W₀=200 кДж; W=10 МДж; длительность импульса тока на половине его амплитуды равна 0,5 мс.

Бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор, содержащий импульсный источник возбуждения (конденсаторная батарея) с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой и числом витков W, размещенной в открытых пазах между полюсами, к 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 рабочей обмотки, где =2, 3, 4,..., отличающийся тем, что на статоре в тех же открытых пазах размещена обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов и с числом витков W_B, которое выбрано из условия: W_B>W, при этом к обмотке возбуждения через первый коммутатор подключен импульсный источник возбуждения.